Q&A:半導体製造の過去、現在、未来

半導体製造の過去、現在、未来:業界コンサルタントのカール ホワイトとの Q&A

ムーアの法則は、1965 年に Intel の共同創設者であるゴードン E. ムーアによって最初に提唱された概念であり、集積回路 (またはマイクロチップ) 上のトランジスタの数は 2 年ごとに 2 倍になる必要があり、コンピューティングのコストは次のように削減されると予測されました。コンピューティング能力の指数関数的な成長につながります。半導体業界はこのパラダイムに追いつくために懸命に努力してきましたが、より少ないスペースでより多くの処理能力を常に提供することは容易ではありません。特に、競合他社が同じ目標に向かって努力しており、技術の進歩に対する消費者の需要が一定している場合はなおさらです。

大部分はムーアの法則のおかげです。「スピードの必要性を感じています!」 Top Gun からの引用よりも、半導体業界の日常生活の説明のように感じることができます .これは、業界のベテランであり、C.L.ホワイトエンジニアリングサービス、LLC。 Carl は、半導体業界のサプライ チェーン全体で 40 年近くビジネスに携わった後、開発と処理能力の両方におけるスピードに対する絶え間ない必要性について優れた見解を示しました。過去にムーアの法則に追いつくのに十分な速さで革新するために必要だったもの、半導体業界が現在直面している課題、そして近い将来に期待できるものについて、彼が言わなければならなかったことを読んでください.

スウェージロック基準点 (SRP): ご参加いただきありがとうございます、カール。まず、あなたのバックグラウンドについて少し教えていただけますか?

カール・ホワイト: 私はアリゾナ出身で、アリゾナ州立大学で産業技術管理と機械工学を学び、1982 年に半導体処理ツールの OEM である ASM でキャリアをスタートさせました。その後、Motorola が所有する Spectrum CVD で働きました。当時の;最終的にソニーの一部となったMaterials Research Corporation。 TELとしても知られる東京エレクトロン。最終的にはアプライド マテリアルズ。私は半導体業界での 38 年間のうち 28 年間を OEM 業界で過ごし、残りの 10 年間はチップ メーカーであるモトローラ セミコンダクター プロダクツ グループで働いてきました。 ALD (原子層堆積) 技術に 15 年間携わった後、昨年 ASM を退職しました。今は業界の企業に相談しています。

希望小売価格: 業界のツール OEM およびチップ製造業者側で幅広く働いてきたあなたは、興味深い視点をお持ちのようですね。この仕事にキャリアを費やすようになった理由は何ですか?

CW: それは非常にペースの速い業界です。テクノロジーは常に変化しており、この分野で働く私たちには創造性と継続的な学習が必要でした。退屈する機会はありませんでした！半導体技術は他のほぼすべての業界で重要であるため、私が取り組んだ設計がどのように変化をもたらしたかを見るのも刺激的でした.

希望小売価格: 半導体業界の進化を促進するメタトレンドは何ですか?

CW: 早い段階で、それは宇宙計画でした。その後、消費者向けテクノロジーになりました。計算尺からハンディ電卓、パソコン、スマートフォンへと進化しましたが、それが可能になったのは半導体技術の進化です。今、私たちはA.I.の出現を見ています。自動運転車が変化をもたらします。製品を生産し、情報をより速く伝える必要性は常にあります。コンピューティング能力の向上に対する需要を満たすために、新しい半導体技術が常に必要とされています。

また、半導体の革新におけるリーダーシップをめぐる競争から生じる原動力もあります。それは企業間の競争だけではなく、世界規模で起こっていることです。時が経つにつれて、さまざまな国が半導体技術の開発を主導してきました。これらの動的な変化は、業界レベルでのより大きなコラボレーションにつながる場合があります。たとえば、米国を拠点とする 14 の半導体企業は、1987 年に米国政府と協力して、半導体製造コンソーシアムである SEMATECH を結成し、グローバル市場での競争力を高めるために、製造するチップの品質を向上させようとしました。これにより、米国の半導体産業の進歩が加速しました。当時、多くの企業が、チップ技術の設計、製造、販売など、あらゆることを行おうとしていました。彼らは専門化することを学び、他の企業向けのチップを製造するファウンドリの作成につながり、業界の進歩を合理化するのにも役立ちました.

希望小売価格: チップ密度と、半導体技術の進化とそれが駆動する電子機器との関係を説明できますか?チップの製造に必要な機器やコンポーネントにどのような影響がありましたか?

CW: ムーアの法則に追いつくためには、小型化が常に必要です。チップ上のトランジスタを増やすには、トランジスタをどんどん小さくする必要があります。また、製造プロセスの進歩に合わせて設備を調整する必要もあります。大きな転換点は、1990 年代後半から 2000 年代初頭にかけて、業界がチップの基盤として 200 mm から 300 mm のシリコン ウェーハに移行したときでした。これには、製造とツールの大幅な変更が必要でした。 45 nm (ナノメートル) トランジスタ用の High-K (誘電率) ゲートの開発により、電子漏れが少なくなり、業界の小型化の追求におけるもう 1 つの大きな一歩となりました。私は幸運にも、Intel がこれらの製品を製造するために使用した機器の開発に携わることができたので、その変化を目の当たりにするのは刺激的でした。さて、見通しとして、企業は 5 nm チップの生産に取り組んでいます。

一般に、企業はより小さなプロセス ノードへの移行を試みています。つまり、より小さく、より高速で、より電力効率の高いトランジスタを作成するために、より小さな半導体テクノロジのフィーチャ サイズを製造することを意味し、18 か月ごとに急速に移行しようとしています。これはムーアの法則 (2 年ごとにより小さなプロセス ノードに移行する) の予測を上回っています。競合他社が行っていることだからです。

半導体メーカーは、ツールの OEM に対して、チップの性能に関して何を達成したいのか、どのような生産プロセスが必要になる可能性があるのか​​を伝えます。 OEM は、そのような性能を実現できる生産設備の製造に取り組んでおり、その際、Swagelok などの企業と協力して既存のコンポーネントを見つけたり、ツールを有効にする新しいコンポーネントのエンジニアリングに協力しています。このコラボレーションは、OEM が現在必要なコンポーネントを受け取り、コンポーネント メーカーが業界の将来のニーズを予測するのに役立つため、半導体企業が技術革新のスピードに遅れずについていくために不可欠です。

希望小売価格: 特定のエレクトロニクス アプリケーションに対する市場の需要が半導体の革新を促進するのか、それとも通常、チップ技術の進歩が市場の需要を先取りするのか?

CW: それはどちらの方向にも行くことができます。時には、半導体技術を常に進化させなければならないという一般的な圧力が、市場がその技術をどうするかを知る前にブレークスルーにつながることがあります。たとえば、1990 年代には、コンピューティング機能が急速に進歩しましたが、チップ テクノロジを最大限に活用するために必要なソフトウェアの知識とスキルが不足していたため、アプリケーションは処理機能に遅れをとっていました。しかし、場合によっては、既存のアプリケーションがより多くのことを実行できるようにするというプレッシャーがかかる可能性があります。現在、より多くのデータ処理と A.I.アプリケーション。

基本的に、私たちは 3 つの時代の需要を見てきました。 1960 年代から 1980 年代にかけて、コンピュータと計算装置を有効にすることがすべてでした。当時、チップ上に何千ものトランジスタがありました。 1980 年代以降、ラップトップや携帯電話などのモバイル テクノロジの実現に重点が置かれるようになりました。この時点で、チップ上に何百万ものトランジスタがありました。過去 10 年間で、より接続性が高く (24 時間体制のソーシャル インタラクションを可能にする IoT とスマート デバイスの台頭により)、データ中心の (Bigデータと機械学習が需要を生み出す）。

希望小売価格: より小型でより強力なチップに対する継続的な需要は、半導体製造で使用される流体システム コンポーネントの性能要件にどのような影響を与えましたか?

CW: 半導体チップのジオメトリの経時的な変化により、チップ製造プロセスで使用されるさまざまな流体システム製品の必要性が高まっています。特にトランジスタの小型化が進むにつれて、歩留まりやチップの信頼性に影響を与える可能性があるため、プロセス中の汚染を回避することが重要です。制御されていないプロセスやコンポーネントの汚染は避けなければなりません。その結果、業界はベローズ バルブ (サイクル寿命が長い) から、「デッド スペース」が少なく、含まれるガスの量が少なく、可動部品が少ないダイヤフラム バルブ (歴史的にクリーン) に移行しました。

さて、Swagelok ^® のリリースにより 最近の ALD20 バルブでは、最新の半導体製造に必要な超高純度 (UHP) 性能を提供するベローズ バルブから得られる高流量容量の利点が見られます。これが可能になった理由の 1 つは、製造技術が時間の経過とともに向上したことと、高品質の VIM-VAR 鋼や耐腐食性合金などの強化された材料を利用できるようになったことです。また、電解研磨やパッシベーションなどの優れた仕上げ技術が採用されており、製品発売前のテストも以前よりも優れています。過去に、テクノロジーを最初に立ち上げようと競い合っている企業を見てきましたが、コンポーネントを十分に認定しておらず、それが問題を引き起こしていました。製品は、半導体分野で約束されたとおりにすぐに使用できることを知っておくことが重要です。一貫性があり、再現可能なパフォーマンスを提供すると信頼できるコンポーネントが重要です。

希望小売価格: 前の質問と同様に、常に新しいチップ製造プロセスを可能にするバルブ技術の変化でしたか、それとも半導体製造の進歩が流体システムのイノベーションを推進していましたか?

CW: 半導体製造プロセスの変化は、UHP バルブやその他の流体システム コンポーネントに必要なものを定義する上で、確実に役割を果たしてきました。マイクロチップを製造する場合、典型的には、固化する前にウェーハを均一にコーティングするために、一連の前駆体ガスを堆積チャンバーに正確に注入することにより、結晶ウェーハ (たとえばシリコン) をコーティングします。液体および固体の前駆体化学物質を使用し、高温で慎重に制御されたプロセスを使用してそれらを昇華させ、UHP バルブを使用してそれらをウエハーに注入することがますます増えています。これらの化学物質はしばしば不安定で、攻撃的で腐食性の特徴を持っているため、効果的に扱うことが難しくなっています。

原子層堆積 (ALD) および原子層エッチング (ALE) プロセスに依存することが多いのは、化学気相堆積 (CVD) およびそのプロセスで使用した前駆体を効果的に制御して、小さなトランジスタ サイズでのチップ製造を容易にすることができないためです。今日を参照してください。コンポーネントの変更を必要とするのは、プロセスと化学におけるこれらの変化です。

ツールの OEM は早い段階で、期待外れのチップ歩留まりは、多くの場合、機器の故障ではなくプロセスの問題によって引き起こされることに気付きました。湿気、大気にさらされる反応性化学物質、粒子がバルブ内に残留物を形成し、密閉を妨げます。これらはすべて、業界が直面した課題でした。多くの場合、高度な流体システムのコンポーネントとシステム設計を通じて、プロセスの課題を制御するために進化してきたことを学びました。これは私たちの結果にプラスの影響を与えましたが、チップ製造プロセスとコンポーネントの性能要件にも影響を与えました。

希望小売価格: それが半導体製造の進化の歴史的な図である場合、今日の業界が直面している課題は何ですか?また、それが流体システム コンポーネントの要件にどのように影響していますか?

CW: チップ製造の次の段階に到達するには、信頼性の高い製品管理、再現性、およびバルブ製造の一貫性が必要です。半導体ツールには多数の UHP バルブが必要であり、バルブごとに完全に均一な性能を実現することは困難ですが、製造の一貫性が必要です。高品質の製品だけでなく、バ​​ルブからバルブまで同じ品質です。

また、温度変化も重要です。より高い温度と流量での性能の一貫性が必要です。現在、3D NAND チップの製造がより重視されています。これは、トランジスタが互いの上に積み重ねられるにつれて、より多くの材料がチップのより深い隙間に積層されることを意味します。そのため、より多くの前駆体媒体をウエハーにドーズする必要があります (おそらく 200 倍のガス)。これらの場所を効果的にコーティングします。公差はますます厳しくなり、それはばらつきに対する許容度が低下することを意味します。

「チップ製造の次の段階に到達するには、信頼性の高い製品管理、再現性、バルブ製造の一貫性が必要です。」

SRP: 正確な投与量、温度安定性、および流量容量の他に、業界がムーアの法則に対応し続けるために UHP バルブに必要なものは何ですか?

CW: 清浄度と耐腐食性にも引き続き注力する必要があります。ここでは材料科学が重要です。たとえば、ALD20 バルブは合金 22 (Hastelloy ^® C22) ベローズは非常に腐食性の高い化学物質に耐えることができる材料であるためです。しかし、この材料でさえ、すべてのプロセスで理想的であるとは限りません。形状が小さくなり、前駆体化学物質がより攻撃的になるため、さまざまな化学物質を処理するために特別なコーティングが必要になる場合があります。これらのコーティングの開発は困難で費用がかかる可能性がありますが、プロセスにおける腐食に対する許容度はますます低下しています。

このため、流体システム ソリューション プロバイダーは、新製品を開発する際に OEM メーカーと半導体メーカーの両方と緊密に連携することが重要です。 Swagelok が数十年前に最初の ALD バルブを発表したときも、コラボレーションは重要であり、今もなお重要性を増しています。これはツール OEM との協力を意味する場合もありますが、OEM のツールに対する要求はチップ ファブリケーターによって左右されるため、ファブと直接協力する必要がある場合もあります。一緒に問題を解決し、関係する企業の開発サイクルに基づいて何が理にかなっているのかを理解することです。しかし、明日のテクノロジーを可能にするのはこのコラボレーションです。

希望小売価格: あなたのキャリアの中で、サプライヤーとのコラボレーションはどのようなものでしたか?個人的にどのように経験しましたか?

CW: キャリアの早い段階で ASM にいたとき、Swagelok ^® の開発で Swagelok と協力しました。 DHシリーズUHPダイヤフラムバルブ。 220º C の真空で機能し、当時市場で入手可能だったものよりも小さいバルブが必要だったので、小さなスペースにより多くのバルブを取り付けて、ALD ツールのパフォーマンスを向上させることができました。私は Swagelok Southwest および Swagelok のコーポレート エンジニアリング部門と協力してオプションをテストし、最終的に優れたソリューションにたどり着きました。その結果、デュアル ピストン設計のダイヤフラム バルブ、真空チャンバー内の汚染を回避するのに役立つ新しい潤滑剤、および 1000 万サイクル以上持続する極端な温度耐性が実現しました。

また、スウェージロックのチームが透明性を保ち、プロセス全体でテスト プロトコルとデータを喜んで共有してくれたことも役に立ちました。これは、他のメーカーでは必ずしもそうではありません。また、共同作業ではよくあることですが、違いを生むのは人々です。あなたは自分の仕事を簡単に楽しめる人と一緒に働きたいと思っています。このプロジェクトで私が一緒に働いたチームは一流でした。私の半導体業界でのキャリアの中で、私は常に、顧客との取引において単に「私たちが勝つ」だけでなく、双方にとって有利な状況を望んでいるビジネス上の連絡先を探してきました。どちらの会社もあるので、私はいつも慎重に選んでいます。

希望小売価格: 半導体業界の次は?どのような課題を克服する必要がありますか?また、近い将来に何が期待できますか?

CW: 業界の課題の 1 つは、スケーリングのニーズに対応することです。 7 nm または 5 nm のプロセス ノードに到達した今、ここからどこへ向かうのでしょうか?技術をさらに小型化するための材料と製造能力は存在しますか? 3D NAND スタッキングは 1 つのソリューションです。より多くの半導体を積み重ねることができるようになり、従来の方法と比較して 3 倍の数のトランジスタを 1 つの領域に詰め込むことができます。これを促進するために、新しい技術が開発されています。たとえば、表面全体をコーティングするのではなく、ウェーハ上の必要な場所にのみ堆積できるようにする選択的堆積を可能にする技術です。

素材も変化しています。業界は、シリコンではなくシリコンカーバイドをウェーハのベースとして見ています。シリコンは見つけやすく安価であるため、広く採用されましたが、小さなサイズのトランジスタに電力を供給するためにさまざまな材料が必要になるため、ゲルマニウムのような材料が再び使用される可能性があります。他の高速で有望な材料が時間をかけて調査されてきましたが、製造プロセスまたはチップの要件により、これらの高価な特殊材料は経済的に実行可能ではなかった可能性があります.今、私たちはそれらを必要とするかもしれません。

変更する必要があるのはウェーハ材料だけではなく、プロセス、つまり何を堆積するか、どのようにエッチングするかなどです。極紫外線リソグラフィー (EUV) などの新しい方法が採用されていますが、5 ～ 3 nm より小さいトランジスタに向けて取り組み始めると、それは長くは機能しない可能性があります。コストは規模が小さくなるほど指数関数的に高くなるため、ムーアの法則に追いつくには費用がかかりすぎるため、すべての専門家よりもムーアの法則に従うことに固執する専門プロバイダーが増える可能性があります。

希望小売価格: Carl さん、視点をありがとうございます。あなたが過去に担ってきたような役割を担っている半導体の専門家に向けて、最後に何かアドバイスはありますか?

CW: 1 つ確かなことがあるとすれば、それがどのように行われるかを常に確認できるわけではありませんが、進歩が見られるということです。信頼できることの 1 つは、行きたい場所にたどり着くためには、強力な関係と協力が必要なことです。

特別なニーズがある場合、既製の製品を購入して対応するだけでは簡単ではありません。パートナーと協力して次世代ソリューションを開発する必要がある場合もあります。その際は、エンジニアリング能力と協力的な考え方を備えた企業を探して、目的の場所に到達できるようにしてください。あなたのニーズに耳を傾け、彼らができないことを約束することは決してなく、あなたを幸せにするためだけに品質を犠牲にすることのない協力者が必要です.迅速に行動する場合、多くの企業でリスクを冒すことになるため、信頼できる企業を学びましょう。関係を構築することは、結果を構築するためにできる最善のことです。

「…エンジニアリング能力と協力的な考え方を備えた企業を探して、あなたが行きたい場所に到達できるようにしてください.あなたのニーズに耳を傾けてくれる協力者が必要です…」

希望小売価格: ありがとう、カール！本日は貴重なご意見をお寄せいただきありがとうございます。

CW: どういたしまして。喜んでお手伝いします。