Дорожные карты чипов обычно обсуждают в терминах дизайна и литографии. Но всё чаще срок сдвигает совсем другое: можно ли сделать материал достаточно чистым, достаточно однородным и в достаточном объёме.
Ограничение сместилось в материалы
Долгое время прогресс достигался за счёт уменьшения размера элементов при практически неизменном наборе материалов. Когда это стало сложнее, прогресс всё больше стал зависеть от внедрения новых материалов в стек — и от того, чтобы интегрировать их, не сломав всё остальное.
Новые подзатворные диэлектрики, новые металлы и барьеры межсоединений, новые материалы канала, новые подложки для упаковки. Каждый из них — это проблема квалификации материала, на которую уходят годы.
Новый техпроцесс ждёт не проектирования схемы. Он ждёт, пока кто-то докажет, что материал можно нанести равномерно по всей пластине — по каждой пластине, годами.
Это напрямую связано с картиной кадров в полупроводниковой отрасли. Semiconductor Industry Association и Oxford Economics спрогнозировали около 115 000 новых рабочих мест в полупроводниковой отрасли США к 2030 году, из которых около 67 000 рискуют остаться незаполненными при нынешних темпах выпуска специалистов. Роли, связанные с материалами, — часть этой картины, и одна из наименее заметных её частей.
Что входит в направление
Охват: кремний, составные полупроводники и диэлектрики — материалы, из которых сделаны чипы.
Четыре блока.
Кремний и выращивание кристаллов. Как выращивают монокристаллы, как производят пластины и что дефекты значат для выхода годных приборов.
Составные полупроводники. Нитрид галлия, карбид кремния, арсенид галлия и родственные материалы для силовой электроники, радиочастотных и оптоэлектронных применений.
Диэлектрики, металлы и тонкие плёнки. Изолирующие и проводящие слои, способы их нанесения и их поведение на масштабах толщины в несколько атомов.
Материалы для упаковки. Подложки, андерфиллы, термоинтерфейсные материалы и компаунды для герметизации — область, значимость которой растёт по мере того, как продвинутая упаковка становится рычагом производительности.
Чистота такого масштаба, который трудно представить
Требование, которое отличает эту область от любой другой дисциплины материаловедения.
Полупроводниковые материалы нормируют по чистоте, где загрязнения считают в миллиардных долях или меньше, — и где одна-единственная частица не в том месте портит кристалл.
Четыре практических следствия для кадров.
Контроль загрязнений — это дисциплина, а не правило. Источником может стать всё, что касается материала: контейнер, газовая линия, перчатка, человек. Те, кто это по-настоящему усвоил, ведут себя иначе, чем те, кому об этом просто рассказали.
Метрология должна обнаруживать то, чего не видно. Измерение загрязнений на уровне миллиардных долей и толщины слоёв на атомном масштабе требует специализированных методов и людей, понимающих их ограничения.
Однородность важна не меньше чистоты. Плёнка должна иметь одинаковую толщину по всей 300-миллиметровой пластине — и такую же на следующей пластине. Контроль процесса на этом уровне и есть реальная работа.
Квалификация цепочки поставок идёт медленно. Смена поставщика химикатов требует масштабной квалификации — поэтому база поставщиков узкая, а сбои распространяются по всей цепочке.
Границы слоёв: где приборы реально отказывают
Прибор — это стек тонких слоёв, и большинство проблем живёт там, где встречаются два слоя, а не внутри одного из них.
Взаимная диффузия. Атомы мигрируют через границы слоёв, особенно при повышенной температуре, со временем меняя электрическое поведение прибора.
Поверхностные состояния на границе. Неидеальная связь на границе слоёв создаёт электрические ловушки, которые ухудшают характеристики и надёжность. Это центральная проблема широкозонных приборов.
Адгезия и напряжения. Слои с разным тепловым расширением накапливают напряжения при обработке и термоциклировании, что приводит к расслоению или растрескиванию.
Электромиграция. Протекающий ток физически перемещает атомы металла, что со временем приводит к обрыву цепи. Давнее ограничение надёжности межсоединений.
Поэтому ключевая компетенция — понимание тонких плёнок и границ слоёв, и это совсем другой набор навыков, чем проектирование приборов.
Место направления в домене
«Электронные и полупроводниковые материалы» — восьмое из одиннадцати направлений в домене Advanced Materials Astra Trainer. Оно связано с керамикой — для подложек и диэлектриков, с нанотехнологиями — для инструментов изготовления, с поверхностной инженерией — для тонких плёнок, и с критическими минералами — для цепочки поставок.
Оно напрямую сочетается с доменом Semiconductors, Electronics and Quantum, в котором девять направлений, включая физику полупроводников и приборы, проектирование чипов и БИС, а также производство полупроводников и продвинутую упаковку. Партнёры, создающие компетенцию в области фабрик или упаковки, обычно берут оба направления сразу — потому что слой материалов и слой процесса это одна и та же проблема, только с двух разных сторон. Посмотреть все одиннадцать направлений можно здесь.
Широкозонные полупроводники: почему это история про производство
Карбид кремния и нитрид галлия — самые коммерчески значимые составные полупроводники: их используют в силовой электронике электромобилей, зарядных устройств, сетевого оборудования и промышленных приводов.
Их преимущество с точки зрения физики прибора доказано: они выдерживают более высокие напряжения, переключаются быстрее и работают при более высокой температуре, чем кремний, — а значит, позволяют делать более компактные и эффективные силовые системы.
Ограничение — в материалах, и стоит разобраться, почему именно.
Выращивание кристаллов сложнее. Эти материалы труднее вырастить с низкой плотностью дефектов, чем кремний, а дефекты снижают выход годных и надёжность.
Подложки дороги. Это напрямую влияет на стоимость прибора и остаётся главным барьером для ценочувствительных применений.
Качество границы слоёв — предел надёжности. Граница с диэлектриком в этих приборах давно остаётся инженерной проблемой, и это проблема материалов и обработки.
Обработка отличается от кремниевой. Существующий кремниевый опыт переносится лишь частично, поэтому кадры нельзя просто «перебросить» с одного производства на другое.
Кадровый вывод: компании, выходящей на рынок силовой электроники, нужна компетенция в материалах и дефектах, а не только проектировщики приборов, — и эта компетенция окажется дефицитнее, чем она ожидает.
Роли по именам
Инженеры по выращиванию кристаллов и производству пластин. Небольшая по численности группа с долгим сроком выхода на компетентность.
Инженеры-технологи по тонким плёнкам. Нанесение и травление — одна из самых многочисленных инженерных групп на фабрике.
Специалисты по характеризации материалов и метрологии. Измеряют то, что получилось, с необходимым разрешением.
Инженеры по дефектам и выходу годных. Связывают дефекты материала с электрическими отказами — именно здесь решаются деньги.
Специалисты по контролю загрязнений и управлению химикатами.
Инженеры по материалам для упаковки. Быстрорастущая роль на фоне развития продвинутой упаковки.
Инженеры по надёжности, работающие с механизмами отказов, вызванными материалами.
Инженеры по квалификации материалов и цепочки поставок. Квалифицируют новых поставщиков — процесс медленный, необходимый и почти всегда недоукомплектованный кадрами.
Кого можно обучить для этих ролей
Инженеры-материаловеды и химики. Им нужен специфический для полупроводников контекст и дисциплина чистоты.
Технологи фабрик. Уже ежедневно работают с этими материалами, но часто не имеют материаловедческой базы под этим опытом. Это самый короткий путь переквалификации и самый многочисленный доступный резерв — и он подтверждает более общий тезис: именно на уровне технологов в полупроводниковой отрасли кадровый разрыв самый большой.
Инженеры-химики. Путь в управление химикатами, подачу газов и жидкостей и технологическую химию.
Аналитические химики и микроскописты. Путь в характеризацию и метрологию.
Инженеры-электронщики. Им нужен слой материаловедения, чтобы работать над надёжностью приборов.
Сотрудники других сверхчистых производств. Фармацевтическое производство и прецизионная оптика — там культура контроля загрязнений уже есть.
Химическая опасность и экспортный контроль. Обработка полупроводниковых материалов связана с крайне опасными химикатами, включая пирофорные и токсичные газы, под строгим режимом контроля, и работа требует допуска на конкретной площадке и подконтрольной квалификации на конкретном оборудовании. Отдельно: некоторые полупроводниковые материалы, оборудование и технические данные подпадают под экспортный контроль в ряде юрисдикций, и уже сам обмен технической информацией может оказаться контролируемой деятельностью. Обучение формирует научное и технологическое понимание. Оно не даёт допуска на площадку, квалификации для опасных работ и не снимает требований экспортного контроля.
Что важно вынести
Ограничение дорожной карты сместилось в сторону материалов и интеграции, а квалификация материала измеряется годами.
Требования к чистоте и однородности не имеют аналогов в промышленности, поэтому контроль загрязнений — это поведенческая дисциплина, а не процедура.
Приборы отказывают на границах слоёв, поэтому важнейший навык — понимание тонких плёнок и границ, и это совсем не то же самое, что проектирование приборов.
Силовую электронику на широкозонных полупроводниках ограничивают качество кристалла, стоимость подложки и надёжность границы слоёв, поэтому для выхода на этот рынок нужны специалисты по материалам и дефектам, а не только проектировщики.
А технологи фабрик — самый короткий путь переквалификации и самый большой резерв, что совпадает с тем местом, где кадровый разрыв в полупроводниковой отрасли максимален в целом.
Почему материалы ограничивают прогресс чипов?
Потому что прогресс всё чаще требует вносить в стек новые материалы и интегрировать их, не сломав всё остальное, а каждый новый материал — это проблема квалификации, измеряемая годами.
Почему чистота так важна?
Загрязнения нормируют на уровне миллиардных долей и ниже, и одна частица может испортить кристалл. Поэтому контроль загрязнений — это дисциплина, которую усваивают, а не правило, которому просто следуют.
Где отказывают полупроводниковые приборы?
Обычно на границах слоёв: взаимная диффузия, поверхностные состояния, напряжения и расслоение, электромиграция в межсоединениях. Редко — в толще самого слоя.
Что ограничивает карбид кремния и нитрид галлия?
Выращивание кристаллов с низкой плотностью дефектов, стоимость подложек и качество границы с диэлектриком. Преимущество этих материалов с точки зрения физики прибора доказано — ограничение в материалах и производстве.
Какое место это направление занимает в домене?
Восьмое из одиннадцати направлений в домене Advanced Materials Astra Trainer, которое сочетается с доменом Semiconductors, Electronics and Quantum. Посмотреть все направления можно здесь.