Halbleiter-Evolution enthüllt: Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft – Experten-Q&A

Halbleiterfertigung: Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft – Ein Q&A mit Branchenberater Carl White

Moores Gesetz, ein Konzept, das 1965 von Intel-Mitbegründer Gordon E. Moore erstmals aufgestellt wurde, vorhersagte, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem integrierten Schaltkreis (oder Mikrochip) alle zwei Jahre verdoppeln muss, während die Rechenkosten um bis zu halbiert werden, was zu exponentiellem Wachstum der Rechenleistung führt. Die Halbleiterindustrie hat hart gearbeitet, um mit diesem Paradigma Schritt zu halten, aber ständig mehr Rechenleistung in weniger Raum zu bieten, ist nicht einfach, besonders wenn Wettbewerber dasselbe Ziel verfolgen und die Verbrauchernachfrage nach fortschreitender Technologie konstant ist.

Dank Moores Gesetz fühlt sich „Ich fühle das Bedürfnis – das Bedürfnis nach Geschwindigkeit!“ eher wie eine Beschreibung des täglichen Lebens in der Halbleiterindustrie an als wie ein Rückblick-Zitat aus Top Gun. Dies war eine der vielen Kernaussagen aus unserem jüngsten Gespräch mit Branchenveteran Carl White, Principal Engineering Consultant bei C.L. White Engineering Services, LLC. Nach fast 40 Jahren Arbeit in Unternehmen entlang der Halbleiterindustrie-Lieferkette bot Carl großartige Perspektive auf den unerbittlichen Bedarf an Geschwindigkeit – sowohl in der Entwicklung als auch in der Rechenleistung. Lesen Sie weiter, um zu erfahren, was er über das sagte, was erforderlich war, um in der Vergangenheit schnell genug zu innovieren, um mit Moores Gesetz Schritt zu halten, welche Herausforderungen die Halbleiterindustrie derzeit bewältigt und was wir in naher Zukunft erwarten können.

Swagelok Reference Point (SRP): Vielen Dank, dass Sie dabei sind, Carl. Können Sie zunächst etwas über Ihren Hintergrund erzählen?

Carl White: Ich bin ein gebürtiger Arizoner und habe Industrietechnologie-Management und Maschinenbau an der Arizona State studiert, bevor ich 1982 meine Karriere bei ASM, dem Halbleiter-Verarbeitungsanlagen-OEM, begann. Von dort ging ich zu Spectrum CVD, das damals im Besitz von Motorola war; Materials Research Corporation, das schließlich Teil von Sony wurde; Tokyo Electron, auch bekannt als TEL; und schließlich Applied Materials. Ich habe 28 meiner 38 Jahre in der Halbleiterindustrie im OEM-Bereich gearbeitet und die anderen 10 Jahre für einen Chiphersteller – Motorola Semiconductor Products Group. Ich bin letztes Jahr von ASM in den Ruhestand gegangen, nachdem ich die letzten 15 Jahre an ALD-Technologie (Atomlagenabscheidung) gearbeitet habe. Jetzt berate ich Unternehmen in der Branche.

SRP: Es klingt so, als hätten Sie eine interessante Perspektive, da Sie sowohl auf der Tool-OEM- als auch auf der Chip-Fabrikator-Seite der Branche umfangreich gearbeitet haben. Was hat Sie dazu bewogen, Ihre Karriere damit zu verbringen?

CW: Es ist eine sehr schnelllebige Branche. Technologie ändert sich ständig, und das erforderte Kreativität und kontinuierliches Lernen für uns, die in diesem Bereich arbeiten. Es gab keine Chance, sich zu langweilen! Es war auch aufregend zu sehen, wie die Designs, an denen ich arbeitete, Veränderungen vorantrugen, da Halbleitertechnologie in fast jeder anderen Branche wichtig ist.

SRP: Welche Meta-Trends haben Sie die Evolution der Halbleiterindustrie antreiben sehen?

CW: Früher war es das Raumfahrtprogramm. Später war es Unterhaltungselektronik. Wir gingen von Rechenschiebern zu Taschenrechnern zu Personal Computern zu Smartphones, und das war durch die Evolution der Halbleitertechnologie möglich. Jetzt sehen wir das Aufkommen von KI und autonomen Fahrzeugen, die Veränderungen vorantreiben. Die eine Konstante war der Bedarf, Produkte herzustellen und Informationen schneller zu übermitteln. Neue Halbleitertechnologie wird ständig benötigt, um die Nachfrage nach mehr Rechenleistung zu decken.

Es gibt auch den Antrieb, der aus dem Wettbewerb um Führerschaft in der Halbleiterinnovation kommt. Es ist nicht nur Wettbewerb zwischen Unternehmen, sondern etwas, das auf globaler Ebene stattfindet. Im Laufe der Zeit haben verschiedene Länder die Entwicklung der Halbleitertechnologie angeführt, und diese dynamischen Veränderungen führen manchmal zu stärkerer Zusammenarbeit auf Branchenebene. Zum Beispiel schlossen sich 1987 14 in den USA ansässige Halbleiterunternehmen mit der US-Regierung zusammen, um SEMATECH, das Chip-Fertigungskonsortium, zu gründen, um die Qualität der von ihnen produzierten Chips zu verbessern, um im globalen Markt besser konkurrieren zu können. Das beschleunigte den Fortschritt in der Halbleiterindustrie in den USA. Damals versuchten viele Unternehmen, alles zu tun – Design, Fertigung und Verkauf von Chiptechnologie. Sie lernten, sich zu spezialisieren, was zur Gründung von Foundries führte, die Chips für andere Unternehmen herstellen und so den Branchenfortschritt straffen.

SRP: Können Sie das Verhältnis zwischen Chip-Dichte und der Evolution der Halbleitertechnik und der von ihr angetriebenen Elektronik erklären? Wie hat sich das auf die Ausrüstung und Komponenten ausgewirkt, die zur Chipfertigung benötigt werden?

CW: Miniaturisierung ist ein ständiger Bedarf, um mit Moores Gesetz Schritt zu halten. Um mehr Transistoren auf Chips zu bekommen, müssen Sie sie kleiner und kleiner machen. Sie müssen auch die Ausrüstung anpassen, um mit Fertigungsprozessfortschritten in Einklang zu stehen. Ein wichtiger Wendepunkt war Ende der 1990er, Anfang der 2000er Jahre, als die Industrie von 200-mm- auf 300-mm-Siliziumwafer als Grundlage für Chips umstieg – dies erforderte große Fertigungs- und Werkzeugänderungen. Die Entwicklung von High-K- (dielektrische Konstante) Gates für 45-nm-Transistoren, die weniger Elektronenleckage erlaubten, war ein weiterer großer Schritt in der Branche auf dem Weg zur Miniaturisierung. Ich hatte das Glück, an der Entwicklung der Ausrüstung zu arbeiten, die Intel zur Produktion dieser Chips verwendete, daher war der Wandel spannend zu beobachten. Zum Vergleich: Unternehmen arbeiten jetzt an 5-nm-Chipproduktion.

Im Allgemeinen haben wir gesehen, dass Unternehmen versuchen, so schnell wie alle 18 Monate zu kleineren Prozessknoten zu wechseln – was die Fertigung kleinerer Halbleitertechnologie-Feature-Größen bedeutet, um kleinere, schnellere, energieeffizientere Transistoren zu schaffen – was die Vorhersage von Moores Gesetz (Wechsel zu kleineren Prozessknoten alle zwei Jahre) übertrifft, weil das die Wettbewerber tun.

Halbleiterfertiger teilen den Tool-OEMs mit, was sie in Bezug auf Chip-Leistung erreichen wollen und welche Produktionsprozesse dies wahrscheinlich erfordern. Die OEMs arbeiten an Produktionsanlagen, die diese Art von Leistung ermöglichen können, und dabei arbeiten sie mit Unternehmen wie Swagelok zusammen, um bestehende Komponenten zu finden oder an der Entwicklung neuer Komponenten zu kollaborieren, um ihre Werkzeuge zu ermöglichen. Diese Zusammenarbeit ist entscheidend, wenn Halbleiterunternehmen mit der Innovationsgeschwindigkeit Schritt halten wollen, da sie OEMs hilft, die benötigten Komponenten heute zu erhalten und den Komponentenherstellern hilft, die zukünftigen Bedürfnisse der Branche vorherzusehen.

SRP: Treibt die Marktnachfrage nach bestimmten Elektronikanwendungen die Halbleiterinnovation an, oder geht der Chiptechnologie-Fortschritt normalerweise der Marktnachfrage voraus?

CW: Es kann in beide Richtungen gehen. Manchmal kann der allgemeine Druck, die Halbleitertechnologie ständig weiterzuentwickeln, zu Durchbrüchen führen, bevor der Markt weiß, was er mit der Technologie anfangen soll. Zum Beispiel in den 1990er Jahren entwickelten sich die Rechenfähigkeiten schnell weiter, aber das Softwarewissen und die Fähigkeiten, die volle Leistung der Chiptechnologie zu nutzen, fehlten, sodass Anwendungen hinter den Verarbeitungsfähigkeiten zurückblieben. In anderen Fällen kann es Druck geben, bestehende Anwendungen zu befähigen, mehr zu tun – wir sehen das jetzt mehr mit dem Bedarf, mehr Datenverarbeitung und KI-Anwendungen zu ermöglichen.

Grundlegend haben wir drei Nachfrage-Epochen gesehen. Von den 1960ern bis zu den 1980ern ging es darum, Computer und Rechenanlagen zu ermöglichen. Wir hatten damals Tausende von Transistoren auf Chips. Ab den 1980ern sahen wir, dass der Schwerpunkt auf die Ermöglichung mobiler Technologie wie Laptops und Handys verlagert wurde. Wir hatten Millionen von Transistoren auf einem Chip. Im letzten Jahrzehnt treiben Datentransfer und -speicherung die Nachfrage an, da wir Technologie schaffen, die vernetzter ist (mit dem Aufkommen des Internet of Things und intelligenter Geräte, die rund um die Uhr soziale Interaktionen antreiben) und datenzentrierter (mit Trends wie Big Data und maschinellem Lernen, die Nachfrage schaffen).

SRP: Wie hat die anhaltende Nachfrage nach kleineren, aber leistungsfähigeren Chips die Leistungsanforderungen an Fluidsystemkomponenten in der Halbleiterfertigung beeinflusst?

CW: Die Veränderung der Halbleiterchip-Geometrie im Laufe der Zeit hat den Bedarf an verschiedenen Fluidsystemprodukten angetrieben, die im Chipfertigungsprozess verwendet werden. Besonders da Transistoren kleiner geworden sind, ist es entscheidend, Kontamination in der Verarbeitung zu vermeiden, da dies Ausbeute und Chipzuverlässigkeit beeinflussen kann. Unkontrollierte Prozesse und Komponentenkontamination müssen vermieden werden. Als Ergebnis wechselte die Industrie von Balgenventilen (höhere Zyklenlebensdauer) zu Membranventilen (historisch sauberer), die weniger „toten Raum“ und Volumen enthaltenes Gas sowie weniger bewegliche Teile haben.

Jetzt, mit der kürzlichen Veröffentlichung des Swagelok^® ALD20-Ventils, sehen wir den Vorteil der hohen Durchflusskapazität, die von einem Balgenventil kommt, das dennoch die Ultrahochreinheitsleistung (UHP) bietet, die in der modernen Halbleiterfertigung benötigt wird. Dies wurde teilweise möglich, weil Fertigungstechniken sich im Laufe der Zeit verbessert haben und weil wir auch Zugang zu verbesserten Materialien haben – hochwertiger VIM-VAR-Stahl und korrosionsbeständige Legierungen zum Beispiel. Es werden auch bessere Veredelungstechniken eingesetzt, wie Elektropolieren und Passivierung, sowie bessere Tests vor Produkteinführungen als früher. In der Vergangenheit habe ich gesehen, wie einige Unternehmen zum Ziel eilten, eine Technologie zuerst zu starten, aber ihre Komponenten nicht gut genug qualifizierten, und das verursachte uns Probleme. Es ist wichtig zu wissen, dass Produkte im Halbleiterbereich out-of-the-box wie versprochen funktionieren; Komponenten, denen man vertrauen kann, konsistent und wiederholbare Leistung zu liefern, sind kritisch.

SRP: Ähnlich wie bei einer vorherigen Frage: War es immer Ventiltechnologie, die neue Chipproduktionsprozesse ermöglichte, oder hat der Fortschritt in der Halbleiterfertigung Fluidsysteminnovationen vorangetrieben?

CW: Änderungen in den Halbleiterfertigungsprozessen haben definitiv eine Rolle dabei gespielt, was wir von UHP-Ventilen und anderen Fluidsystemkomponenten benötigen. Wenn Sie Mikrochips herstellen, beschichten Sie typischerweise einen kristallinen Wafer – beispielsweise Silizium – durch eine Sequenz präziser Dosen mit einem Vorläufergas in eine Abscheidungskammer, um den Wafer gleichmäßig zu beschichten, bevor er verfestigt. Wir nehmen zunehmend flüssige und feste Vorläuferchemikalien, sublimieren sie mit hohen Temperaturen und sorgfältig kontrollierten Prozessen und dosieren sie dann mit UHP-Ventilen auf die Wafer. Diese Chemikalien können oft instabil sein und aggressive, korrosive Eigenschaften haben, was sie schwierig macht, effektiv zu handhaben.

Wir verlassen uns oft auf Atomlagenabscheidung (ALD) und Atomlagenätzung (ALE) Prozesse, weil chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und die darin verwendeten Vorläufer nicht effektiv genug kontrolliert werden können, um Chipfertigung bei der heutigen kleinen Transistorgröße zu ermöglichen. Es sind diese Änderungen in Prozessen und Chemie – zum Beispiel wechselte die Industrie in den 1990ern von Aluminium zu Kupferverbindungen wegen seiner höheren Leitfähigkeit – die Komponentenänderungen notwendig machen.

Früh erkannten Tool-OEMs, dass enttäuschende Chip-Ausbeuten oft durch Prozessprobleme und nicht durch fehlerhafte Ausrüstung verursacht wurden. Feuchtigkeit, reaktive Chemikalien, die der Atmosphäre ausgesetzt waren, Partikel, die Rückstände in Ventilen bildeten und sie am Abdichten hinderten – das waren alles Herausforderungen, denen die Industrie begegnete. Wir haben gelernt, uns weiterzuentwickeln, um Prozessherausforderungen zu kontrollieren, oft durch fortschrittliche Fluidsystemkomponenten und Systemdesigns. Das hat unsere Ergebnisse positiv beeinflusst, aber es hat auch Chipfertigungsprozesse und die Leistungsanforderungen an die ermöglichten Komponenten beeinflusst.

SRP: Wenn das ein historisches Bild der Halbleiterfertigungs-Evolution ist, welche Herausforderungen stehen der Branche heute bevor, und wie wirkt sich das auf die Anforderungen an Fluidsystemkomponenten aus?

CW: Um die nächste Stufe der Chipfertigung zu erreichen, benötigen wir zuverlässige Produktkontrolle, Wiederholbarkeit und Ventilfertigungskonsistenz. Halbleiterwerkzeuge erfordern zahlreiche UHP-Ventile, und es ist schwer, perfekt einheitliche Leistung von Ventil zu Ventil zu haben, aber wir brauchen diese Fertigungskonsistenz. Es geht nicht nur um ein hochwertiges Produkt, sondern um dieselbe Qualität von Ventil zu Ventil.

Außerdem spielt Temperaturänderung eine Rolle. Wir benötigen Leistungskonsistenz bei höheren Temperaturen und Durchflussraten. Es gibt mehr Schwerpunkt auf 3D-NAND-Chipfertigung jetzt, was bedeutet, dass mehr Materialien in tiefere Ritzen auf Chips geschichtet werden, da Transistoren übereinander gestapelt werden, sodass Sie mehr Vorläufermedien auf den Wafer dosieren müssen – vielleicht 200-mal so viel Gas –, um diese Stellen effektiv zu beschichten. Es gibt immer engere Toleranzen, und das bedeutet weniger Spielraum für Variabilität.

„Um die nächste Stufe der Chipfertigung zu erreichen, benötigen wir zuverlässige Produktkontrolle, Wiederholbarkeit und Ventilfertigungskonsistenz.“

SRP: Abgesehen von präziser Dosierung, Temperaturstabilität und Durchflusskapazität, was braucht die Industrie sonst noch von UHP-Ventilen, um weiterhin mit Moores Gesetz Schritt zu halten?

CW: Wir müssen uns auf Sauberkeit und Korrosionsbeständigkeit konzentrieren. Materialwissenschaft ist hier wichtig. Zum Beispiel verwendet das ALD20-Ventil Legierung 22 (Hastelloy^® C22) im Balgen, weil das ein Material ist, das hochkorrosiven Chemikalien standhalten kann. Aber so gut es auch ist, selbst dieses Material ist nicht in jedem Prozess ideal. Eine spezielle Beschichtung könnte erforderlich sein, um verschiedene Chemikalien zu handhaben, wenn Geometrien kleiner werden und Vorläuferchemikalien aggressiver werden. Die Entwicklung dieser Beschichtungen kann schwierig und teuer sein, aber wir haben immer weniger Toleranz für Korrosion in unseren Prozessen.

Deshalb ist es entscheidend, dass Fluidsystemlösungsanbieter eng mit sowohl OEMs als auch Halbleiterherstellern zusammenarbeiten, während sie neue Produkte entwickeln. Zusammenarbeit war wichtig, als Swagelok die ersten ALD-Ventile vor Jahrzehnten einführte, und sie bleibt wichtiger denn je. Manchmal bedeutet das, mit Tool-OEMs zu arbeiten, aber da die Anforderungen an ihre Werkzeuge von Chipfabriken getrieben werden, müssen Sie manchmal auch direkt mit den Fabs arbeiten. Es geht um gemeinsames Problemlösen und herauszufinden, was basierend auf den Entwicklungszyklen der beteiligten Unternehmen Sinn macht. Aber es ist diese Zusammenarbeit, die die Technologie von morgen ermöglichen wird.

SRP: Wie hat die Zusammenarbeit mit Lieferanten in Ihrer Karriere ausgesehen? Wie haben Sie sie persönlich erlebt?

CW: Früh in meiner Karriere, als ich bei ASM war, habe ich mit Swagelok an der Entwicklung der Swagelok^® DH-Serie UHP-Membranventil zusammengearbeitet. Wir brauchten ein Ventil, das im Vakuum bei 220 °C funktionieren und kleiner sein würde als das, was damals auf dem Markt verfügbar war, damit wir mehr Ventile in einen kleinen Raum unterbringen konnten, um bessere Leistung von unseren ALD-Werkzeugen zu erhalten. Ich arbeitete mit Swagelok Southwest und Swageloks Unternehmens-Engineering-Abteilung zusammen, um Optionen zu testen, und wir kamen schließlich zu einer großartigen Lösung. Das Ergebnis war ein Membranventil mit Dual-Kolben-Design, einem neuen Schmierstoff, um Kontamination in einer Vakuumkammer zu vermeiden, und extremer Temperaturbeständigkeit, die mehr als 10 Millionen Zyklen halten würde.

Es war auch hilfreich, dass das Swagelok-Team transparent war und bereit, Testprotokolle und Daten während des gesamten Prozesses zu teilen, was nicht immer bei anderen Herstellern der Fall ist. Auch, wie es bei kollaborativen Bemühungen immer der Fall ist, machen die Menschen den Unterschied. Sie wollen mit Leuten arbeiten, die es Ihnen leicht machen, Ihre Arbeit zu genießen, und das Team, an diesem Projekt gearbeitet hat, war erstklassig. In meiner Halbleiterindustrie-Karriere habe ich immer nach Geschäftskontakten gesucht, die eine Win-Win-Situation im Umgang mit ihren Kunden wollen, nicht nur ein „wir gewinnen“. Beide Arten von Unternehmen gibt es, also habe ich immer sorgfältig gewählt.

SRP: Was kommt als Nächstes für die Halbleiterindustrie? Welche Herausforderungen müssen überwunden werden, und was können wir in naher Zukunft erwarten?

CW: Eine Herausforderung für die Industrie wird sein, mit den Skalierungsbedürfnissen Schritt zu halten. Jetzt, da wir bei 7-nm- oder 5-nm-Prozessknoten sind, wohin gehen wir von hier? Sind die Materialien und Fertigungsfähigkeiten vorhanden, um Technologie weiter zu miniaturisieren? 3D-NAND-Stapeln ist eine Lösung – wir sehen mehr Halbleiter, die übereinander gestapelt werden, was die dreifache Anzahl an Transistoren in einem Bereich ermöglicht im Vergleich zu dem, was traditionell gemacht wurde. Neue Technologie wird entwickelt, um dies zu erleichtern, wie selektive Abscheidungstechnologie, die es ermöglicht, nur dort abzuscheiden, wo man auf einem Wafer will, anstatt die gesamte Oberfläche zu beschichten.

Materialien ändern sich auch. Die Industrie schaut auf Siliziumkarbid als Basis für Wafer anstelle von Silizium. Silizium ist leicht zu finden und kostengünstig, daher wurde es weit verbreitet, aber wir könnten sehen, dass Materialien wie Germanium wieder in Verwendung kommen, da verschiedene Materialien benötigt werden, um Transistoren bei winzigen Größen mit Strom zu versorgen. Andere schnelle, vielversprechende Materialien wurden im Laufe der Zeit untersucht, aber die Fertigungsprozesse oder Chip-Anforderungen haben diese teuren Spezialmaterialien möglicherweise nicht wirtschaftlich tragfähig gemacht. Jetzt könnten wir sie brauchen.

Es sind nicht nur Wafer-Materialien, die sich ändern müssen, sondern auch unsere Prozesse: was wir ablagern, wie wir ätzen usw. Neuere Methoden wie Extrem-Ultraviolett-Lithografie (EUV) werden eingesetzt, aber sobald wir an Transistoren kleiner als 5–3 nm arbeiten, könnte das nicht mehr lange funktionieren. Die Kosten werden exponentiell höher, je kleiner man geht, also könnten wir sehen, dass mehr Spezialanbieter versuchen, mit Moores Gesetz Schritt zu halten, anstatt alle, weil es zu teuer wird, das zu tun.

SRP: Danke für die Perspektive, Carl. Haben Sie abschließende Weisheiten für Halbleiterprofis, die die Art von Rollen innehaben, die Sie in der Vergangenheit hatten?

CW: Wenn eines sicher ist, dann dass wir weiterhin Fortschritt sehen werden, auch wenn wir nicht immer sehen können, wie er stattfinden wird. Das Eine, worauf Sie zählen können, ist der Bedarf an starken Beziehungen und Zusammenarbeit, um dorthin zu gelangen, wo Sie hinwollen.

Wenn Sie einen spezialisierten Bedarf haben, ist es nicht immer so einfach, ein Produkt vom Regal zu kaufen, um es anzugehen; manchmal müssen Sie mit Partnern an einer Next-Generation-Lösung arbeiten. Wenn Sie das tun, suchen Sie nach Unternehmen, die die Engineering-Fähigkeiten und die kollaborative Denkweise haben, um Sie dorthin zu bringen, wo Sie hinwollen. Sie brauchen Kollaborateure, die Ihren Bedürfnissen zuhören, nie etwas versprechen, was sie nicht halten können, und die Qualität nicht opfern, nur um Sie glücklich zu machen. Das ist ein Risiko, das Sie bei vielen Unternehmen eingehen, wenn Sie schnell vorankommen, also lernen Sie, wem Sie vertrauen können. Beziehungen aufzubauen ist das Beste, was Sie tun können, um Ergebnisse aufzubauen.

„...suchen Sie nach Unternehmen, die die Engineering-Fähigkeiten und die kollaborative Denkweise haben, um Sie dorthin zu bringen, wo Sie hinwollen. Sie brauchen Kollaborateure, die Ihren Bedürfnissen zuhören...“

SRP: Danke, Carl! Wir schätzen, dass Sie sich die Zeit genommen haben, Ihr Wissen heute mit uns zu teilen.

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