Los roadmaps de chips suelen discutirse en términos de diseño y litografía. Cada vez más, lo que mueve la fecha es si un material puede fabricarse lo bastante puro, lo bastante uniforme y en volumen suficiente.
La restricción se trasladó a los materiales
Durante mucho tiempo el avance vino de hacer más pequeñas las características con esencialmente el mismo conjunto de materiales. A medida que eso se volvió más difícil, los avances han dependido más de introducir materiales nuevos en la pila y de integrarlos sin romper nada más.
Nuevos dieléctricos de puerta, nuevos metales y barreras de interconexión, nuevos materiales de canal, nuevos sustratos de encapsulado. Cada uno es un problema de cualificación de materiales que lleva años.
Un nuevo nodo no espera a que se diseñe un circuito. Espera a que alguien demuestre que un material puede depositarse de forma uniforme en toda una oblea, en cada oblea, durante años.
Esto conecta directamente con el panorama de plantilla en semiconductores. La Semiconductor Industry Association y Oxford Economics proyectaron cerca de 115 000 nuevos empleos de semiconductores en EE. UU. para 2030, con unos 67 000 en riesgo de quedar sin cubrir a las tasas actuales de graduación. Los puestos de materiales están dentro de esa cifra, y son de los menos visibles.
Qué abarca esta dirección
El alcance: silicio, semiconductores compuestos y dieléctricos, los materiales de los que están hechos los chips.
Cuatro áreas.
Silicio y crecimiento de cristal. Cómo se crecen los cristales únicos, cómo se producen las obleas, y qué significan los defectos para el rendimiento del dispositivo.
Semiconductores compuestos. Nitruro de galio, carburo de silicio, arseniuro de galio y materiales relacionados para potencia, radiofrecuencia y aplicaciones optoelectrónicas.
Dieléctricos, metales y láminas delgadas. Las capas aislantes y conductoras, cómo se depositan, y cómo se comportan a escalas de espesor de unos pocos átomos.
Materiales de encapsulado. Sustratos, underfills, materiales de interfaz térmica y encapsulantes, un área de importancia creciente a medida que el encapsulado avanzado se convierte en una palanca de rendimiento.
Pureza a una escala difícil de imaginar
El requisito que distingue este campo de cualquier otra disciplina de materiales.
Los materiales de semiconductores se especifican a niveles de pureza donde la contaminación se cuenta en partes por mil millones o menos, y donde una sola partícula en el lugar equivocado arruina un die.
Cuatro consecuencias prácticas para la plantilla.
El control de la contaminación es una disciplina, no una norma. Todo lo que toca el material es una fuente potencial: el contenedor, la línea de gas, el guante, la persona. Quien lo ha interiorizado se comporta de forma distinta a quien solo se lo han dicho.
La metrología tiene que detectar lo que no se puede ver. Medir contaminación en partes por mil millones y espesores de capa a escala atómica exige técnicas especializadas y personas que entiendan sus límites.
La uniformidad importa tanto como la pureza. Una película tiene que tener el mismo espesor en toda una oblea de 300 milímetros e idéntico en la siguiente oblea. El control de proceso a ese nivel es el trabajo real.
La cualificación de la cadena de suministro es lenta. Cambiar de proveedor químico exige una cualificación extensa, por eso la base de proveedores es tan estrecha y por eso las interrupciones se propagan.
Interfaces: donde realmente fallan los dispositivos
Un dispositivo es una pila de capas delgadas, y la mayoría de los problemas viven donde se encuentran dos capas, no dentro de ninguna de ellas.
Interdifusión. Los átomos migran a través de las interfaces, sobre todo con temperatura, y cambian el comportamiento eléctrico con el tiempo.
Estados de interfaz. Un enlace imperfecto en una interfaz crea trampas eléctricas que degradan el rendimiento y la fiabilidad. Es un problema central en los dispositivos de banda ancha.
Adhesión y tensión. Las capas con distinta expansión térmica acumulan tensión durante el procesado y los ciclos térmicos, y causan delaminación o agrietamiento.
Electromigración. El flujo de corriente desplaza físicamente átomos de metal con el tiempo, hasta causar circuitos abiertos. Un límite de fiabilidad conocido desde hace tiempo en las interconexiones.
Así que la capacidad que importa es entender las láminas delgadas y las interfaces, y es un conjunto de habilidades distinto del diseño de dispositivos.
Dónde encaja esto en el dominio
Materiales electrónicos y semiconductores es la octava de las once direcciones del dominio de materiales avanzados de Astra Trainer, conectada con cerámicas para sustratos y dieléctricos, nanotecnología para las herramientas de fabricación, ingeniería de superficies para láminas delgadas, y minerales críticos para la cadena de suministro.
Se combina directamente con el dominio de semiconductores, electrónica y cuántica, que reúne nueve direcciones, entre ellas física de semiconductores y dispositivos, diseño de chips y VLSI, y fabricación de semiconductores y encapsulado avanzado. Los socios que construyen capacidad de fab o de encapsulado suelen combinar ambas, porque la capa de materiales y la capa de proceso son el mismo problema visto desde dos lados. Puedes ver las once direcciones aquí.
Banda ancha: por qué es una historia de manufactura
El carburo de silicio y el nitruro de galio son los semiconductores compuestos comercialmente más relevantes, usados en electrónica de potencia para vehículos eléctricos, cargadores, equipos de red y accionamientos industriales.
La ventaja en física de dispositivos está establecida: soportan tensiones más altas, conmutan más rápido y funcionan a mayor temperatura que el silicio, lo que permite sistemas de potencia más pequeños y eficientes.
La restricción está en los materiales, y merece la pena ser concreto sobre por qué.
El crecimiento de cristal es más difícil. Estos materiales son más difíciles de crecer con baja densidad de defectos que el silicio, y los defectos reducen el rendimiento y la fiabilidad.
Los sustratos son caros. Lo que afecta directamente al coste del dispositivo y es la principal barrera en aplicaciones sensibles al coste.
La calidad de la interfaz es el límite de fiabilidad. La interfaz dieléctrica en estos dispositivos ha sido un desafío de ingeniería de larga duración, y es un problema de materiales y de procesado.
El procesado difiere del silicio. La experiencia existente con silicio se transfiere solo parcialmente, así que una plantilla no puede trasladarse sin más.
La implicación para la plantilla: una organización que entra en electrónica de potencia necesita capacidad de materiales y defectos, no solo diseñadores de dispositivos, y descubrirá que esa capacidad es más escasa de lo que esperaba.
Los puestos, uno a uno
Ingenieros de crecimiento de cristal y de oblea. Población pequeña, con un largo tiempo hasta la competencia.
Ingenieros de proceso de láminas delgadas. Deposición y grabado, una de las mayores poblaciones de ingeniería en fab.
Especialistas en caracterización de materiales y metrología. Miden lo que se fabricó a la resolución requerida.
Ingenieros de defectos y rendimiento. Conectan los defectos de material con el fallo eléctrico, que es donde está el dinero.
Especialistas en control de contaminación y gestión química.
Ingenieros de materiales de encapsulado. Creciendo rápido con el encapsulado avanzado.
Ingenieros de fiabilidad que trabajan en mecanismos de fallo impulsados por materiales.
Ingenieros de cadena de suministro y cualificación de materiales. Cualifican nuevas fuentes, algo lento, esencial y casi siempre con poca plantilla.
A quién se puede formar para esto
Ingenieros de materiales y químicos. Necesitan el contexto específico de semiconductores y la disciplina de pureza.
Técnicos de proceso en fab. Ya trabajan a diario con estos materiales y a menudo les falta la ciencia de materiales detrás. Es la reconversión más corta y la población disponible más grande, y conecta con la idea más amplia de que la capa de técnicos es donde el vacío de plantilla en semiconductores es mayor.
Ingenieros químicos. Hacia gestión química, suministro de gases y líquidos, y química de proceso.
Químicos analíticos y microscopistas. Hacia caracterización y metrología.
Ingenieros de electrónica. Necesitan la capa de materiales para trabajar en fiabilidad de dispositivos.
Personal de otras industrias ultralimpias. Fabricación farmacéutica y óptica de precisión, donde ya existe una cultura de control de la contaminación.
Riesgo químico y control de exportación. El procesado de materiales de semiconductores implica productos químicos altamente peligrosos, incluidos gases pirofóricos y tóxicos, bajo regímenes de control estrictos, y el trabajo exige autorización específica del centro y cualificación supervisada en equipos concretos. Por separado, ciertos materiales, equipos y datos técnicos de semiconductores están sujetos a control de exportación en varias jurisdicciones, y compartir información técnica puede ser en sí mismo una actividad controlada. La formación aporta comprensión científica y de proceso. No otorga autorización de centro, cualificación para trabajo peligroso ni ninguna autorización de control de exportación.
Qué llevarte de todo esto
La restricción del roadmap se ha desplazado hacia los materiales y la integración, y la cualificación de materiales se mide en años.
Los requisitos de pureza y uniformidad no se parecen a nada más en la industria, lo que convierte el control de la contaminación en una disciplina de comportamiento, no en un procedimiento.
Los dispositivos fallan en las interfaces, así que la capacidad de entender láminas delgadas e interfaces es la habilidad que importa, y es distinta del diseño de dispositivos.
La electrónica de potencia de banda ancha está limitada por la calidad del cristal, el coste del sustrato y la fiabilidad de la interfaz, así que entrar en ella exige personas de materiales y defectos, no solo diseñadores.
Y los técnicos de proceso en fab son la reconversión más corta y la cantera más grande, lo que coincide con dónde es mayor el vacío de plantilla en semiconductores en general.
¿Por qué los materiales están limitando el avance de los chips?
Porque los avances exigen cada vez más introducir materiales nuevos en la pila e integrarlos sin romper nada más, y cada material nuevo es un problema de cualificación que se mide en años.
¿Por qué importa tanto la pureza?
La contaminación se especifica en partes por mil millones o menos, y una sola partícula puede arruinar un die. Eso convierte el control de la contaminación en una disciplina que se interioriza, no en una norma que se sigue.
¿Dónde fallan los dispositivos de semiconductores?
Normalmente en las interfaces: interdifusión, estados de interfaz, tensión y delaminación, y electromigración en las interconexiones. Rara vez dentro del volumen de una capa.
¿Qué limita al carburo de silicio y al nitruro de galio?
El crecimiento de cristal con baja densidad de defectos, el coste del sustrato y la calidad de la interfaz dieléctrica. La ventaja en física de dispositivos está establecida; la restricción está en los materiales y la manufactura.
¿Dónde encaja esto dentro del dominio?
Es la octava de las once direcciones del dominio de materiales avanzados de Astra Trainer, combinada con el dominio de semiconductores, electrónica y cuántica. Puedes verlas aquí.