O planach rozwoju chipów zwykle mówi się w kategoriach projektowania i litografii. Coraz częściej to, co przesuwa termin, zależy od tego, czy materiał da się zrobić wystarczająco czystym, wystarczająco jednorodnym i w wystarczającej ilości.
Ograniczenie przeniosło się na materiały
Przez długi czas postęp brał się ze zmniejszania elementów przy zasadniczo tym samym zestawie materiałów. Gdy stało się to trudniejsze, postęp zaczął zależeć bardziej od wprowadzania nowych materiałów do stosu warstw i od integrowania ich bez psucia niczego innego.
Nowe dielektryki bramki, nowe metale i bariery połączeń, nowe materiały kanału, nowe podłoża do obudów. Każdy z nich to problem kwalifikacji materiałowej trwający lata.
Nowy węzeł technologiczny nie czeka na zaprojektowanie układu. Czeka, aż ktoś udowodni, że materiał da się nanieść równomiernie na całej płytce, na każdej płytce, przez lata.
To łączy się bezpośrednio z obrazem kadr w branży półprzewodnikowej. Semiconductor Industry Association i Oxford Economics prognozowały powstanie około 115 000 nowych miejsc pracy w amerykańskim przemyśle półprzewodnikowym do 2030 roku, z czego około 67 000 zagrożonych brakiem obsady przy obecnym tempie kończenia odpowiednich kierunków studiów. Role związane z materiałami mieszczą się w tej liczbie i są jedną z jej najmniej widocznych części.
Co obejmuje ten kierunek
Zakres: krzem, półprzewodniki związkowe i dielektryki – materiały, z których zrobione są chipy.
Cztery obszary.
Krzem i wzrost kryształów. Jak wyhodować monokryształy, jak produkuje się płytki oraz co defekty oznaczają dla wydajności produkcyjnej.
Półprzewodniki związkowe. Azotek galu, węglik krzemu, arsenek galu i materiały pokrewne do zastosowań w energetyce, częstotliwościach radiowych i optoelektronice.
Dielektryki, metale i cienkie warstwy. Warstwy izolujące i przewodzące, sposób ich nanoszenia oraz ich zachowanie w skali grubości kilku atomów.
Materiały do obudów. Podłoża, kleje underfill, materiały interfejsu termicznego i enkapsulanty – obszar o rosnącym znaczeniu wraz z rozwojem zaawansowanych technologii obudowy jako dźwigni wydajności.
Czystość w skali trudnej do wyobrażenia
Wymóg, który odróżnia tę dziedzinę od każdej innej dyscypliny materiałowej.
Materiały półprzewodnikowe specyfikuje się przy poziomach czystości, gdzie zanieczyszczenie liczy się w częściach na miliard lub mniej i gdzie jedna cząstka w złym miejscu niszczy kość.
Cztery praktyczne konsekwencje dla kadr.
Kontrola zanieczyszczeń to dyscyplina, nie zasada. Wszystko, co dotyka materiału, jest potencjalnym źródłem: pojemnik, linia gazowa, rękawica, człowiek. Ludzie, którzy zinternalizowali tę zasadę, zachowują się inaczej niż ci, którym o niej tylko powiedziano.
Metrologia musi wykrywać to, czego nie widać. Pomiar zanieczyszczeń na poziomie części na miliard i grubości warstw w skali atomowej wymaga specjalistycznych technik i ludzi, którzy rozumieją ich ograniczenia.
Jednorodność liczy się tak samo jak czystość. Warstwa musi mieć tę samą grubość na całej 300-milimetrowej płytce i być identyczna na następnej płytce. Kontrola procesu na tym poziomie to właśnie ta praca.
Kwalifikacja łańcucha dostaw jest powolna. Zmiana dostawcy chemikaliów wymaga obszernej kwalifikacji, dlatego baza dostawców jest wąska i dlatego zakłócenia się rozprzestrzeniają.
Granice międzywarstwowe, czyli gdzie układy naprawdę zawodzą
Układ to stos cienkich warstw, a większość problemów mieszka tam, gdzie stykają się dwie warstwy, a nie wewnątrz którejkolwiek z nich.
Interdyfuzja. Atomy migrują przez granice międzywarstwowe, zwłaszcza w podwyższonej temperaturze, zmieniając zachowanie elektryczne z czasem.
Stany powierzchniowe. Niedoskonałe wiązanie na granicy międzywarstwowej tworzy pułapki elektryczne, które pogarszają wydajność i niezawodność. To centralny problem w przyrządach o szerokiej przerwie energetycznej.
Adhezja i naprężenia. Warstwy o różnej rozszerzalności cieplnej gromadzą naprężenia podczas przetwarzania i cykli termicznych, powodując rozwarstwienie lub pękanie.
Elektromigracja. Przepływ prądu fizycznie przesuwa atomy metalu z czasem, ostatecznie prowadząc do przerw w obwodzie. Od dawna znane ograniczenie niezawodności w połączeniach.
Więc kompetencją, która się liczy, jest rozumienie cienkich warstw i granic międzywarstwowych, i to jest inny zestaw umiejętności niż projektowanie przyrządu.
Jak to się wpisuje w domenę
Materiały elektroniczne i półprzewodnikowe to ósmy z jedenastu kierunków w domenie zaawansowanych materiałów Astra Trainer, łączący się z ceramiką dla podłoży i dielektryków, nanotechnologią dla narzędzi wytwarzania, inżynierią powierzchni dla cienkich warstw oraz surowcami krytycznymi dla łańcucha dostaw.
Łączy się bezpośrednio z domeną półprzewodników, elektroniki i technologii kwantowych, która obejmuje dziewięć kierunków, w tym fizykę i przyrządy półprzewodnikowe, projektowanie chipów i VLSI oraz wytwarzanie półprzewodników i zaawansowane obudowy. Partnerzy budujący zdolności fabowe lub obudowy zwykle zestawiają oba kierunki, bo warstwa materiałowa i warstwa procesowa to ten sam problem widziany z dwóch stron. Zobacz tu jedenaście kierunków.
Szeroka przerwa energetyczna i dlaczego to historia produkcyjna
Węglik krzemu i azotek galu to najważniejsze komercyjnie półprzewodniki związkowe, stosowane w elektronice mocy do pojazdów elektrycznych, ładowarek, urządzeń sieciowych i napędów przemysłowych.
Przewaga fizyki przyrządu jest ustalona: obsługują wyższe napięcia, przełączają szybciej i pracują w wyższych temperaturach niż krzem, co oznacza mniejsze, bardziej wydajne układy zasilania.
Ograniczeniem są materiały, i warto powiedzieć konkretnie, dlaczego.
Wzrost kryształów jest trudniejszy. Te materiały trudniej wyhodować z niską gęstością defektów niż krzem, a defekty obniżają wydajność i niezawodność.
Podłoża są drogie. Co bezpośrednio wpływa na koszt przyrządu i jest główną barierą w zastosowaniach wrażliwych na cenę.
Jakość granicy międzywarstwowej to ograniczenie niezawodności. Granica dielektryczna w tych przyrządach od dawna jest wyzwaniem inżynierskim i jest to problem materiałowy i procesowy.
Przetwarzanie różni się od krzemu. Istniejące doświadczenie z krzemem przenosi się tylko częściowo, więc kadr nie da się po prostu przenieść.
Wniosek kadrowy: organizacja wchodząca w elektronikę mocy potrzebuje kompetencji materiałowych i defektowych, nie tylko projektantów przyrządów, i odkryje, że tej kompetencji jest mniej, niż się spodziewała.
Role po imieniu
Inżynierowie wzrostu kryształów i płytek. Niewielka populacja, długi czas dojścia do kompetencji.
Inżynierowie procesu cienkich warstw. Nanoszenie i trawienie – jedna z największych populacji inżynierskich w fabie.
Specjaliści charakteryzacji materiałów i metrologii. Pomiar tego, co powstało, z wymaganą rozdzielczością.
Inżynierowie defektów i wydajności. Łączenie defektów materiałowych z awarią elektryczną – tu są pieniądze.
Specjaliści kontroli zanieczyszczeń i zarządzania chemikaliami.
Inżynierowie materiałów do obudów. Szybko rosnąca dziedzina wraz z zaawansowanymi obudowami.
Inżynierowie niezawodności zajmujący się mechanizmami awarii napędzanymi przez materiały.
Inżynierowie łańcucha dostaw i kwalifikacji materiałów. Kwalifikowanie nowych źródeł – proces powolny, niezbędny i rzadko odpowiednio obsadzony.
Kogo można w to przekwalifikować
Inżynierowie materiałowi i chemicy. Potrzebują kontekstu specyficznego dla półprzewodników i dyscypliny czystości.
Technicy procesowi w fabie. Już pracują z tymi materiałami na co dzień i często brakuje im nauki o materiałach stojącej za tym. To najkrótsza droga przekwalifikowania i największa dostępna grupa, co łączy się z szerszym faktem, że warstwa techników jest tam, gdzie luka kadrowa w branży półprzewodnikowej jest największa.
Inżynierowie chemicy. W stronę zarządzania chemikaliami, dostarczania gazów i cieczy oraz chemii procesowej.
Chemicy analitycy i mikroskopiści. W stronę charakteryzacji i metrologii.
Inżynierowie elektronicy. Potrzebują warstwy materiałowej, żeby pracować nad niezawodnością przyrządów.
Personel z innych branż o skrajnej czystości. Produkcja farmaceutyczna i optyka precyzyjna, gdzie kultura kontroli zanieczyszczeń już istnieje.
Zagrożenie chemiczne i kontrola eksportu. Przetwarzanie materiałów półprzewodnikowych obejmuje wysoce niebezpieczne chemikalia, w tym gazy piroforyczne i toksyczne, objęte ścisłymi reżimami kontroli, a praca wymaga autoryzacji właściwej dla danego zakładu oraz nadzorowanej kwalifikacji na konkretnym sprzęcie. Niezależnie od tego niektóre materiały, urządzenia i dane techniczne związane z półprzewodnikami podlegają kontroli eksportu w wielu jurysdykcjach, a samo udostępnianie informacji technicznych może być działaniem kontrolowanym. Szkolenie buduje zrozumienie naukowe i procesowe. Nie nadaje autoryzacji zakładowej, kwalifikacji do prac niebezpiecznych ani żadnego zezwolenia w zakresie kontroli eksportu.
Co warto z tego zapamiętać
Ograniczenie planu rozwoju przesunęło się w stronę materiałów i integracji, a kwalifikację materiałową mierzy się w latach.
Wymagania co do czystości i jednorodności są niepodobne do niczego innego w przemyśle, co czyni kontrolę zanieczyszczeń dyscypliną behawioralną, a nie procedurą.
Układy zawodzą na granicach międzywarstwowych, więc to kompetencja w zakresie cienkich warstw i granic się liczy, i różni się ona od projektowania przyrządu.
Elektronika mocy o szerokiej przerwie energetycznej jest ograniczona przez jakość kryształu, koszt podłoża i niezawodność granicy międzywarstwowej, więc wejście w ten obszar wymaga ludzi od materiałów i defektów, nie tylko projektantów.
A technicy procesowi w fabie to najkrótsza droga przekwalifikowania i największa dostępna grupa, co pasuje do miejsca, gdzie luka kadrowa w branży półprzewodnikowej jest ogólnie największa.
Dlaczego materiały ograniczają postęp w chipach?
Bo postęp coraz częściej wymaga wprowadzania nowych materiałów do stosu warstw i integrowania ich bez psucia niczego innego, a każdy nowy materiał to problem kwalifikacji mierzony w latach.
Dlaczego czystość ma takie znaczenie?
Zanieczyszczenie specyfikuje się na poziomie części na miliard lub mniej, a pojedyncza cząstka może zniszczyć kość. Dlatego kontrola zanieczyszczeń to dyscyplina, którą ludzie internalizują, a nie zasada, której przestrzegają.
Gdzie zawodzą przyrządy półprzewodnikowe?
Zwykle na granicach międzywarstwowych: interdyfuzja, stany powierzchniowe, naprężenia i rozwarstwienie oraz elektromigracja w połączeniach. Rzadko w głębi warstwy.
Co ogranicza węglik krzemu i azotek galu?
Wzrost kryształów z niską gęstością defektów, koszt podłoża i jakość granicy dielektrycznej. Przewaga fizyki przyrządu jest ustalona; ograniczeniem są materiały i produkcja.
Gdzie to się mieści w domenie?
Ósmy z jedenastu kierunków w domenie zaawansowanych materiałów Astra Trainer, zestawiany z domeną półprzewodników, elektroniki i technologii kwantowych. Zobacz je tutaj.