Le roadmap dei chip vengono di solito discusse in termini di design e litografia. Sempre più spesso, ciò che sposta la data è se un materiale può essere reso abbastanza puro, abbastanza uniforme e in volume sufficiente.
Il vincolo si è spostato sui materiali
Per molto tempo il progresso è arrivato rendendo più piccoli i componenti con essenzialmente lo stesso set di materiali. Man mano che questo è diventato più difficile, i progressi hanno dipeso sempre più dall'introduzione di nuovi materiali nello stack e dalla loro integrazione senza rompere il resto.
Nuovi dielettrici di gate, nuovi metalli e barriere di interconnessione, nuovi materiali di canale, nuovi substrati di packaging. Ognuno è un problema di qualificazione dei materiali che richiede anni.
Un nuovo nodo non aspetta che venga progettato un circuito. Aspetta che qualcuno dimostri che un materiale può essere depositato in modo uniforme su un intero wafer, ogni wafer, per anni.
Questo si collega direttamente al quadro della forza lavoro nei semiconduttori. La Semiconductor Industry Association e Oxford Economics hanno previsto circa 115.000 nuovi posti di lavoro nei semiconduttori negli Stati Uniti entro il 2030, con circa 67.000 a rischio di restare scoperti ai tassi attuali di completamento dei diplomi. I ruoli sui materiali si trovano dentro quel numero, e sono tra le parti meno visibili.
Cosa copre la direzione
L'ambito: silicio, semiconduttori composti e dielettrici, i materiali di cui sono fatti i chip.
Quattro aree.
Silicio e crescita dei cristalli. Come si fanno crescere i cristalli singoli, come si producono i wafer, e cosa significano i difetti per la resa dei dispositivi.
Semiconduttori composti. Nitruro di gallio, carburo di silicio, arseniuro di gallio e materiali correlati per applicazioni di potenza, radiofrequenza e optoelettroniche.
Dielettrici, metalli e film sottili. Gli strati isolanti e conduttivi, come vengono depositati, e come si comportano a scale di spessore di pochi atomi.
Materiali di packaging. Substrati, underfill, materiali di interfaccia termica e incapsulanti, un'area di crescente importanza mentre il packaging avanzato diventa una leva di prestazione.
Purezza su una scala difficile da immaginare
Il requisito che distingue questo campo da ogni altra disciplina sui materiali.
I materiali per semiconduttori sono specificati a livelli di purezza dove la contaminazione si conta in parti per miliardo o meno, e dove una singola particella nel posto sbagliato rovina un die.
Quattro conseguenze pratiche per una forza lavoro.
Il controllo della contaminazione è una disciplina, non una regola. Tutto ciò che tocca il materiale è una potenziale fonte: il contenitore, la linea del gas, il guanto, la persona. Chi ha interiorizzato questo si comporta diversamente da chi ne è stato solo informato.
La metrologia deve rilevare ciò che non si vede. Misurare contaminazione in parti per miliardo e spessori di strato su scala atomica richiede tecniche specializzate e persone che ne capiscano i limiti.
L'uniformità conta quanto la purezza. Un film deve avere lo stesso spessore su un wafer da 300 millimetri e identico sul wafer successivo. Il controllo di processo a quel livello è il lavoro vero e proprio.
La qualificazione della catena di fornitura è lenta. Cambiare un fornitore chimico richiede una qualificazione estesa, motivo per cui la base di fornitura è ristretta e le interruzioni si propagano.
Le interfacce, dove i dispositivi si guastano davvero
Un dispositivo è uno stack di strati sottili, e la maggior parte dei problemi vive dove due strati si incontrano, non dentro l'uno o l'altro.
Interdiffusione. Gli atomi migrano attraverso le interfacce, soprattutto a temperatura, cambiando il comportamento elettrico nel tempo.
Stati di interfaccia. Un legame imperfetto a un'interfaccia crea trappole elettriche che degradano prestazione e affidabilità. È un problema centrale nei dispositivi a banda proibita larga.
Adesione e sollecitazione. Strati con dilatazioni termiche diverse costruiscono sollecitazione durante la lavorazione e i cicli termici, causando delaminazione o fessurazione.
Elettromigrazione. Il flusso di corrente sposta fisicamente gli atomi di metallo nel tempo, causando alla fine circuiti aperti. Un limite di affidabilità di lunga data nelle interconnessioni.
Quindi la competenza che conta è la comprensione dei film sottili e delle interfacce, ed è un set di competenze diverso dal design del dispositivo.
Dove si colloca nel dominio
Materiali elettronici e per semiconduttori è l'ottava di undici direzioni nel dominio dei materiali avanzati di Astra Trainer, si collega alla ceramica per substrati e dielettrici, alla nanotecnologia per gli strumenti di fabbricazione, all'ingegneria delle superfici per i film sottili, e ai minerali critici per la catena di fornitura.
Si accoppia direttamente con il dominio dei semiconduttori, elettronica e quantistica, che comprende nove direzioni tra cui fisica e dispositivi dei semiconduttori, progettazione dei chip e VLSI, e manifattura dei semiconduttori e packaging avanzato. I partner che costruiscono capacità di fab o packaging definiscono di solito entrambi, perché lo strato dei materiali e lo strato di processo sono lo stesso problema affrontato da due lati. Puoi vedere le undici direzioni qui.
Banda proibita larga, e perché è una storia di manifattura
Il carburo di silicio e il nitruro di gallio sono i semiconduttori composti più rilevanti commercialmente, usati nell'elettronica di potenza per veicoli elettrici, caricatori, apparecchiature di rete e azionamenti industriali.
Il vantaggio nella fisica del dispositivo è accertato: gestiscono tensioni più alte, commutano più velocemente e funzionano più caldi del silicio, il che significa sistemi di potenza più piccoli ed efficienti.
Il vincolo sono i materiali, e vale la pena essere specifici sul perché.
La crescita dei cristalli è più difficile. Questi materiali sono più difficili da far crescere con bassa densità di difetti rispetto al silicio, e i difetti riducono resa e affidabilità.
I substrati sono costosi. Il che influenza direttamente il costo del dispositivo ed è la principale barriera nelle applicazioni sensibili al costo.
La qualità dell'interfaccia è il limite di affidabilità. L'interfaccia dielettrica in questi dispositivi è stata a lungo una sfida ingegneristica, ed è un problema di materiali e lavorazione.
La lavorazione differisce dal silicio. L'esperienza esistente sul silicio si trasferisce solo in parte, quindi una forza lavoro non può semplicemente essere spostata da un settore all'altro.
L'implicazione per la forza lavoro: un'organizzazione che entra nell'elettronica di potenza ha bisogno di competenze sui materiali e sui difetti, non solo di progettisti di dispositivi, e troverà quella competenza più scarsa di quanto si aspetti.
I ruoli, uno per uno
Ingegneri di crescita dei cristalli e wafer. Popolazione piccola, lungo tempo per la competenza.
Ingegneri di processo per film sottili. Deposizione ed etching, una delle popolazioni ingegneristiche di fab più grandi.
Specialisti di caratterizzazione e metrologia dei materiali. Misurare ciò che è stato prodotto alla risoluzione richiesta.
Ingegneri di difetti e resa. Collegano i difetti dei materiali al guasto elettrico, dove sta il denaro.
Specialisti di controllo della contaminazione e gestione chimica.
Ingegneri di materiali per il packaging. In crescita rapida con il packaging avanzato.
Ingegneri di affidabilità che lavorano su meccanismi di guasto guidati dai materiali.
Ingegneri di catena di fornitura e qualificazione materiali. Qualificare nuove fonti, lavoro lento, essenziale e raramente ben coperto.
Chi si può formare per questi ruoli
Ingegneri dei materiali e chimici. Hanno bisogno del contesto specifico dei semiconduttori e della disciplina della purezza.
Tecnici di processo di fab. Lavorano già con questi materiali ogni giorno e spesso non hanno la scienza dei materiali sottostante. È la conversione più breve e la popolazione disponibile più ampia, e si collega al punto più generale che lo strato dei tecnici nei semiconduttori è dove il divario di forza lavoro è più grande.
Ingegneri chimici. Verso la gestione chimica, la distribuzione di gas e liquidi e la chimica di processo.
Chimici analitici e microscopisti. Verso caratterizzazione e metrologia.
Ingegneri elettronici. Hanno bisogno dello strato dei materiali per lavorare sull'affidabilità dei dispositivi.
Personale di altri settori ultra-puliti. Manifattura farmaceutica e ottica di precisione, dove la cultura del controllo della contaminazione esiste già.
Pericolo chimico e controllo delle esportazioni. La lavorazione dei materiali per semiconduttori coinvolge sostanze chimiche altamente pericolose, inclusi gas piroforici e tossici, sotto regimi di controllo rigorosi, e il lavoro richiede autorizzazione specifica per sito e qualifica supervisionata su attrezzature specifiche. Separatamente, certi materiali, attrezzature e dati tecnici per semiconduttori sono soggetti a controllo delle esportazioni in diverse giurisdizioni, e condividere informazioni tecniche può essere di per sé un'attività controllata. La formazione costruisce comprensione scientifica e di processo. Non conferisce autorizzazione al sito, qualifica per lavoro pericoloso né alcuna autorizzazione al controllo delle esportazioni.
Cosa portare a casa
Il vincolo della roadmap si è spostato verso materiali e integrazione, e la qualificazione dei materiali si misura in anni.
I requisiti di purezza e uniformità non hanno eguali in nessun altro settore, il che rende il controllo della contaminazione una disciplina comportamentale, non una procedura.
I dispositivi si guastano alle interfacce, quindi la competenza sui film sottili e le interfacce è quella che conta e differisce dal design del dispositivo.
L'elettronica di potenza a banda proibita larga è limitata da qualità del cristallo, costo del substrato e affidabilità dell'interfaccia, quindi entrarci richiede persone sui materiali e sui difetti, non solo progettisti.
E i tecnici di processo di fab sono la conversione più breve e il bacino più ampio, il che corrisponde a dove il divario di forza lavoro nei semiconduttori è più grande nel complesso.
Perché i materiali limitano il progresso dei chip?
Perché i progressi richiedono sempre più l'introduzione di nuovi materiali nello stack e la loro integrazione senza rompere il resto, e ogni nuovo materiale è un problema di qualificazione che si misura in anni.
Perché la purezza conta così tanto?
La contaminazione è specificata in parti per miliardo o meno e una singola particella può rovinare un die. Questo rende il controllo della contaminazione una disciplina che le persone interiorizzano, non una regola che seguono.
Dove si guastano i dispositivi per semiconduttori?
Di solito alle interfacce: interdiffusione, stati di interfaccia, sollecitazione e delaminazione, ed elettromigrazione nelle interconnessioni. Raramente nel materiale massivo di uno strato.
Cosa limita il carburo di silicio e il nitruro di gallio?
La crescita dei cristalli con bassa densità di difetti, il costo del substrato e la qualità dell'interfaccia dielettrica. Il vantaggio nella fisica del dispositivo è accertato; il vincolo sono i materiali e la manifattura.
Dove si colloca nel dominio?
Ottava di undici direzioni nel dominio dei materiali avanzati di Astra Trainer, accoppiata con il dominio semiconduttori, elettronica e quantistica. Puoi vederle qui.