Miten automaatio auttaa yhdysvaltalaisia valmistajia skaalaamaan puolijohteiden valmistusta

Puolijohteet ovat kaiken modernin elektroniikan, sähkönjakelun ja uusiutuvan energiantuotannon ytimessä. Puolijohdetuotteet ulottuvat yksinkertaisista erilliskomponenteista, kuten transistoreista ja diodeista, kompleksisiin integroituihin piireihin eli mikropiireihin. Puolijohdekomponentit ovat usein logiikkaporttien ytimessä. Yhdessä nämä muodostavat digitaalisia piirejä. Niitä käytetään myös oskillaattoreissa, antureissa, analogisissa vahvistimissa, aurinkokennoissa, ledeissä, lasereissa ja tehomuuntimissa. Niiden tuoteluokkiin kuuluvat muisti, logiikka, analogiset mikropiirit, mikroprosessorit, erilliset tehokomponentit ja anturit.

Kuva 1: Integroitujen piirien ja muiden puolijohdetuotteiden tuotanto edellyttää erikoislaitteita. (Kuvan lähde: Getty Images)

Suuri osa maailmasta on riippuvainen hajauttamattomista ja siksi haavoittuvista maailmanlaajuisista toimitusketjuista puolijohteiden kriittisestä merkityksestä huolimatta. Tämä johtuu erittäin merkittävistä mittakaavaeduista, jotka tekevät korkeasti konsolidoidusta tuotannosta taloudellisesti kilpailukykyisempää. Puolijohteiden tuotantolaitosten rakentaminen maksaa kaiken kaikkiaan miljardeja euroja, ja niihin tarvitaan erittäin ammattitaitoista henkilökuntaa.

Kuva 2: Lineaarimoottorit, hihnakäytöt ja miniatyyrikokoiset profiilikisko-lineaarijohteet ovat vain esimerkkejä tarkkuuslaitteista, joita puolijohteiden prosessointiin käytettävät koneet sisältävät. (Kuvan lähde: Getty Images)

Useimmat tehtaat (sirujen tilausvalmistajat) sijaitsevat Taiwanissa, Japanissa, Kiinassa, Yhdysvalloissa ja Saksassa, ja ne ovat olleet toiminnassa vuosikymmeniä. Yli puolet kaikista puolijohteista ja yli 90 prosenttia kaikista kehittyneistä puolijohteista valmistetaan kuitenkin Taiwanissa, ja kaikki suuret elektroniikkavalmistajat käyttävät yhtä ainutta taiwanilaista puolijohdetehdasta ainakin osassa puolijohteiden valmistusta. Viimeaikaiset geopoliittiset jännitteet ovat tuoneet selvästi esille tällaisen riippuvuuden vaarat. Vuonna 2022 annetulla ”Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors CHIPS and Science Act” -lailla pyritään puuttumaan tähän ongelmaan.

Puolijohdevalmistuksen tilanne

Useimmat materiaalit ovat joko hyviä sähkönjohtimia, kuten metallit, tai eristeitä, kuten lasi. Puolijohteiden sähkönjohtavuus sijoittuu johtimien ja eristeiden välille: Johtavuutta säädetään lisäämällä kiderakenteeseen epäpuhtauksia prosessissa, jota kutsutaan seostamiseksi. Seostaminen elektroneja luovuttavalla elementillä antaa n-tyypin puolijohteelle negatiivisen varauksen. Vastaavasti elektroneja vastaanottavalla elementillä seostaminen luo p-tyypin puolijohteeseen positiivisesti varautuneita reikiä. Kaksi vierekkäistä, mutta eri tavoin seostettua aluetta saman kiteen sisällä muodostavat puolijohteen p-n-liitoksen. Transistorit voidaan muodostaa NPN- tai PNP-liitoksilla.

Pii on ylivoimaisesti yleisin puolijohdemateriaali. Fosfori ja arseeni ovat yleisiä n-tyypin seostusaineita, kun taas boori ja gallium ovat yleisiä p-tyypin seostusaineita.

Kuva 3: Tämän Jabil Precision Automation Solutionsin koneen kuusiakselinen robotti suorittaa hiusristien automaattiseen lajitteluun liittyviä tehtäviä suljettua puhdastilaympäristöä vaarantamatta. (Kuvan lähde: Omron Automation Americas)

Kaikkein kehittyneimmässä puolijohdevalmistuksessa valmistetaan tuotteita, joiden nanomittakaavan rakenteiden koko on 1–100 nm. Koska nanometri on metrin miljardisosa ja yksittäisten atomien välinen etäisyys kiinteässä aineessa on 0,1–0,4 nm, nykyaikaiset puolijohteiden nanorakenteet ovat saavuttaneet rajan sille, kuinka pieniä materiaalirakenteet voivat olla. Tällaisten tuotteiden valmistukseen liittyvä äärimmäinen tarkkuus vaatii prosesseja, jotka toteutetaan puhdastilaympäristöissä ja jotka on suojattu seismisen toiminnan, paikallisten lentokoneiden, junien, liikenteen ja lähellä olevien koneiden aiheuttamaa tärinää vastaan.

Tärkeimmät prosessit mikropiirien valmistuksessa ovat puolijohdekiekkojen valmistus, litografia ja valikoiva seostaminen – yleisimmin ioni-istutuksella. Monet tehtaat ovat erikoistuneet joko puolijohdekiekkojen valmistukseen tai sitä seuraavaan sirujen valmistukseen, jossa käytetään fotolitografiaa ja seostamista. Taiwan Semiconductor (TSMC) valmistaa sekä puolijohdekiekkoja että siruja. Se on ainut tehdas, joka valmistaa kokojen 5 nm ja 3 nm kehittyneitä siruja. Joillakin puolijohdevalmistajilla, kuten Intelillä ja Texas Instrumentsilla, on omat tehtaansa, ja ne ovat riippuvaisia TSMC:stä vain kehittyneimpien sirujen valmistuksessa. Monet valmistajat, joilla ei ole omaa tuotantolaitosta (kuten Apple, ARM ja Nvidia), ovat puolijohdevalmistuksessa sitä vastoin täysin TSMC:n varassa.

Kuva 4: GlobalFoundries aloitti hiljattain 1 miljardin dollarin investoinnin, jotta sen nykyisessä New Yorkin osavaltiossa sijaitsevassa tuotantolaitoksessa voitaisiin valmistaa 150 000 puolijohdekiekkoa vuodessa. Tämän uuden kapasiteetin tavoitteena on tyydyttää auto-, 5G- ja IoT-sovellusten kysyntä siruille, jotka tarjoavat paljon edistyneitä ominaisuuksia. Tämä tuotantolaitos tukee myös turvalliselle toimitusketjulle asetettuja kansallisia turvallisuusvaatimuksia. (Kuvan lähde: GlobalFoundries)

Vaikka AMD on käytännössä tehtaaton, se ei ole riippuvainen TSMC:stä ja on aiemmin valmistanut omia siruja. AMD irrotti puolijohteiden valmistukseen liittyvän liiketoimintansa ja antoi sille nimen GlobalFoundries; jälkimmäisellä on tehtaita Yhdysvalloissa, Euroopassa ja Singaporessa. Sen New Yorkissa sijaitseva tehdas valmisti aikaisemmin jopa 14 nm:n siruja, ja näköpiirissä on seuraavaksi sirukoko 4 nm ja sitten 3 nm.

Erityisten sirunvalmistusprosessien tarkastelu

Puolijohteiden valmistuksessa käytetään paljon skaalautuvia, korkeatuottoisia prosesseja, jotka mahdollistavat miljoonien yksittäisten rakenteiden (jopa nanomittakaavan rakenteiden) luonnin yhdessä ainoassa vaiheessa. Tarkastellaanpa joitakin erityispiirteitä.

Piikiekkojen valmistus: Monikiteiset piipalat sulatetaan osittaisessa tyhjiössä argonilmakehässä. Niitä vedetään sitten siemenkiteestä yksikiteisen piiharkon kasvattamiseksi – tähän sylinteriin muodostuu kruunu- ja häntäkartio käynnistettäessä ja pysäytettäessä prosessi. Tässä vaiheessa piihin voidaan lisätä jonkin verran koko harkkoon haluttavaa seostetta.

Kuva 5: Tässä näytetään erilaisia piikideharkkoja sekä niistä leikattavia kiekkoja. Harkoissa on vielä kartiot vetämisen jälkeen ja ennen hiontaa. (Kuvan lähde: Getty Images)

Seuraavaksi harkko hiotaan tangoksi tarkasti haluttuun halkaisijaan ja siihen tehdään viilto, joka ilmaisee kidesuunnan. Tanko leikataan sitten kiekoiksi lankasahalla ja kiekot viistetään ja läpätään timanttihiontatyökaluilla. Sen jälkeen pinta viimeistellään kemiallisella etsauksella, lämpökäsittelyllä, kiillottamalla ja puhdistamalla se erittäin puhtaalla vedellä ja kemikaaleilla. Kiekkojen tasomaisuus ja puhtaus (ei hiukkasia) tarkastetaan ennen pakkaamista.

Kuva 6: Jopa näennäisesti tutut puhdistustuotteet saavat uusia muotoja, kun ne on tarkoitettu puhdastilakäyttöön. (Kuvan lähde: ACL Staticide Inc.)

Litografia: Elektroniikkapiirit valmistetaan kerrostamalla ensin puolijohdesubstraatille ohut metallijohdinkalvo ja sitten tulostamalla litografiaa käyttäen maski piirin kuvioita varten. Tämän jälkeen jäljellä oleva johtava kerros poistetaan etsaamalla. Nämä menetelmät kehitettiin alun perin suurempia piirilevyjä varten, mutta nykyään niitä käytetään myös nanomittakaavan mikropiirien valmistuksessa. Metallirivat painetaan ruudukkomuotoon, jolloin 5 nm:n kokoisissa prosessisiruissa ripojen väliseksi etäisyydeksi tulee noin 20 nm. Erityisesti tämän prosessin automaatiojärjestelmissä käytetään usein suorakäyttötekniikoita sekä stabilointialustoja ja ohjelmistoja ja jopa ilmalaakereita.

Kuva 7: Nanomittakaavan rakenteita voidaan tutkia elektronimikroskoopeilla ja skannaavilla tunnelointimikroskoopeilla. Kuvan kaltaiset valomaskien korjauslaitteet automatisoivat vikojen tunnistuksen ja korjauksen tarkastuksen tuotannon nopeuttamiseksi. Atomivoimamikroskopia mahdollistaa vikojen ja epäpuhtauksien tunnistuksen ja korjaamisen nanometri- ja ångström-tason tarkkuudella. (Kuvan lähde: Park Systems)

Ohutkalvomateriaalin kerrostaminen: Tässä prosessissa metallimateriaali kerrostetaan piikiekolle käyttämällä tyhjiöhöyrystystä, sputteripinnoitusta tai kemiallista kaasufaasipinnoitusta.

Kuviointi: Tämä on varsinainen litografiaprosessi, jonka aikana maski lisätään estämään metallikerroksen häviäminen halutuilta alueilta myöhemmässä etsausvaiheessa. Yleisiä kuviointimenetelmiä ovat fotolitografia, elektronisuihkulitografia ja nanopainatuslitografia. Maskin aukkojen välissä oleva metalli höyrystetään laserilla tai elektronisuihkulla.

Etsaus: Materiaalikerrosten kemiallinen poistaminen. Kemiallisessa märkäetsauksessa käytetään reaktiivisia nesteitä, kuten happoja, emäksiä ja liuottimia, kun taas kuivaetsauksessa käytetään reaktiivisia kaasuja. Kuivaetsaus sisältää reaktiivisen ionietsauksen ja johtavasti kytketyn plasmaetsauksen. Tällöin automaatiolaitteet ohjaavat prosessin kestoa ja nopeutta – jotta sirun ominaisuudet voidaan pitää toleranssien puitteissa.

Ioni-istutus: Kun sähköliitäntöjen verkko on luotu piikiekolle, liitoskohtiin on luotava yksittäisiä transistoreita seostamalla piitä NPN- tai PNP-liitosten luomiseksi. Tämä toteutetaan suuntaamalla seostuselementeistä koostuvia ionisäteitä liitoskohtiin. Kiihdytettyjen ionisäteiden erittäin korkea nopeus saa ne tunkeutumaan materiaalin läpi ja sulautumaan piikiekon kidehilaan. Litografiaprosessin aikana luotuja kuvioita käytetään ioni-istutusprosessin tarkkaan ohjaamiseen.

Automaation käyttö puolijohteiden laadun varmistuksessa

Suuri osa Yhdysvaltojen puolijohdeteollisuudesta valmistaa tällä hetkellä valmistuslaitteita sen sijaan, että se valmistaisi itse puolijohteita. Näissä laitteissa käytetään melko tavanomaisia mekaanisia ja elektronisia automaatiovalmistustekniikoita. Esimerkiksi:

• Applied Materials ja ASML valmistavat litografialaitteita
• Lam Research ja Applied Materials valmistavat kemiallisia kaasufaasipinnoituslaitteita
• Lam Research, Applied Materials ja Plasma-Therm valmistavat plasmaetsauslaitteita
• Axcelis Technologies ja Varian Semiconductor Equipment Associates valmistavat ioni-istutuslaitteita.

Vaikka Yhdysvallat maahantuo tällä hetkellä suuren osan puolijohteista, kaikkia valmistusvaiheita suoritetaan jossain määrin Yhdysvalloissa. Muun muassa Intel, GlobalFoundries ja Texas Instruments valmistavat sekä kiekkoja että siruja.

Sirujen valmistukseen käytettävät menetelmät, ohutkalvomateriaalin kerrostus, litografinen kuviointi, kemiallinen etsaus ja ioni-istutus, ovat luonnostaan skaalautuvia. Niillä voidaan valmistaa samanaikaisesti miljoonia yksittäisiä liitoksia. Valmistajat lisäävätkin automaatiota osittain tuottavuuden tehostamiseksi, mutta nykyään yhä useammin myös laadun parantamiseksi.

Automaatio liittyy myös kemikaalien, sirujen ja kiekkojen käsittelytoimintoihin sekä KUKA Roboticsin kaltaisten valmistajien puhdastilarobottien käyttöön. Viimeksi mainituilla on tärkeä rooli inhimillisten virheiden aiheuttamien tappioiden vähentämisessä.

Kuva 8: Yhteistyörobotit liikkuvat 7. akselin järjestelmillä ja käsittelevät piikiekkoja (paksuus 40 µm ja halkaisija jopa 300 mm) samalla kuin kiekot työstetään 1200 vaiheen kautta siruiksi. (Kuvan lähde: KUKA Robotics)

Automaatio tarkoittaa puolijohteiden valmistuksessa kuitenkin usein pikemminkin tietojen käsittelyä ja siitä seuraavien päätösten automatisointia. Tehtaat käyttävät kehittyneessä prosessinohjauksessa (APC) sekä tilastollisessa prosessinohjauksessa (SPC) automatisoituja algoritmeja. Algoritmit seuraavat prosessivaihteluita ja niistä johtuvia valmistusvirheitä, joita voidaan vähentää valmistusprosessien reaaliaikaisella ohjauksella. Tällaiset järjestelmät voivat käyttää tekoälyä ja koneoppimista mallien tunnistamiseen hyvin suurista tietokokonaisuuksista seuraamalla monia prosessiparametreja ja laatumittareita.

Siemensin ajatusjohtajien mukaan kehittynyt prosessinohjaus (APC) käsittää erilaisia menetelmiä, joilla voidaan vähentää säätömuuttujien vaihtelua – näihin kuuluvat sumea säätö, malliprediktiivinen säätö, malliin perustuva säätö, tilastollinen malli ja neuroverkot. Tällaiset Teollisuus 4.0 -teknologiat toteutetaan usein integroiduissa ekosysteemeissä, esimerkkeinä Siemensin puolijohdeteollisuudelle tarjoamat järjestelmät tai Schneider Electricin EcoStruxure (kaksi esimerkkiä). Prosessimuuttujat voidaan yhdistää koneiden kunnonvalvontaan ennakoivaa kunnossapitoa varten, mikä vähentää tuotantokoneiden rutiinihuoltoa ja auttaa seisokkien välttämisessä.

Yhteenveto

Yhdysvallat pyrkii varmistamaan strategisesti kriittisten puolijohteiden kotimaisen tuotannon kilpailukyvyn, jolloin huipputason automaatio on välttämätöntä. Materiaalinkäsittelyä suorittavat puhdastilarobotit ovat automaation ilmeisin ja näkyvin sovellus, mutta todelliset kilpailuedut saavutetaan varsinaisten valmistusprosessien automatisoidulla prosessinohjauksella. Nanomittakaavan mikropiirien tehokas ja virheetön valmistus on riippuvaista tuhansien prosessiparametrien reaaliaikaohjauksesta – aina piikiteiden kasvatusympäristön ohjauksesta liitosten tarkkaan seostamiseen ioni-istutuksessa.

Yhdysvaltojen puolijohdeteollisuuden kilpailukyky varmistetaan viime kädessä kehittyneellä prosessinohjauksella, johon kuuluu IIoT-antureiden, tekoälyalgoritmien ja muiden kehittyneiden malliin perustuvien säätömenetelmien integrointi.