כיצד אוטומציה מסייעת ליצרני ארה"ב להגדיל ייצור מוליכים-למחצה

מוליכים-למחצה הם הליבה של כל אלקטרוניקה מודרנית, חלוקת כוח וייצור חשמל מאנרגיות מתחדשות. מוצרי מוליכים-למחצה משתרעים מרכיבים בדידים פשוטים כמו טרנזיסטורים ודיודות עד מעגלים-משולבים מורכבים או ICs. התקני מוליכים-למחצה הם לעיתים קרובות הליבה של שערים לוגיים המתחברים כדי להוות מעגלים דיגיטליים. הם נמצאים גם במתנדים, חיישנים, מגברים אנלוגיים, תאים פוטו-וולטאיים, נורות LED‏, לייזרים וממירי כוח. קטגוריות מוצרי תעשייה כוללות זיכרונות, רכיבים לוגיים, מעגלים-משולבים (IC) אנלוגיים, מיקרו-מעבדים, התקני הספק בדידים וחיישנים.

איור 1: הייצור של מעגלים-משולבים ומוצרי-מוליכים למחצה אחרים דורש ציוד מיוחד. (מקור תמונה: Getty Images‏)

למרות האופי הקריטי של מוליכים-למחצה, חלק גדול מהעולם תלוי בשרשרת אספקה כלל-עולמית לא מגוונת ולכן פגיעה. זה בשל יתרונות הגודל המשמעותיים ביותר ההופכים ייצור מרוכז מאוד לתחרותי יותר כלכלית. אחרי הכל, מתקני ייצור מוליכים-למחצה עולים מיליארדים לבנות וזקוקים לצוות מיומן ביותר.

איור 2: מנועים לינאריים, מערכות תמסורת רצועה ומכווני מסילה קוויים בעלי פרופיל זעיר הם רק חלק מהציוד המדויק במכונות לעיבוד מוליכים-למחצה. (מקור תמונה: Getty Images‏)

מרבית יצרני מוליכים-למחצה ממוקמים בטאיוואן, יפן, סין, ארה"ב וגרמניה והם פועלים זה מספר עשורים. עם זאת, יותר ממחצית מכל המוליכים-למחצה ויותר מ-%‏90‏ מכל המוליכים-למחצה המתקדמים מיוצרים בטאיוואן, כשכל יצרני האלקטרוניקה העיקריים משתמשים במפעל ייצור טאיוואני‏ יחיד עבור ייצור של לפחות חלק מהמוליכים-למחצה שלהם. מתחים גאופוליטיים של התקופה האחרונה הביאו למוקוד מיוחד את הסכנות בתלות כזאת. החוק ‏Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors (CHIPS) and Science משנת 2022, מטרתו לטפל בבעיה זו על ידי תמרוץ מפעילים וספקי אוטומציה להקים ולהרחיב את ייצור המוליכים-למחצה בארה"ב.

מצב הייצור של מוליכים-למחצה

מרבית החומרים הם מוליכי חשמל טובים, כמו מתכות, או מבודדים, כמו זכוכית. מוליכים-למחצה הם בעלי מוליכות חשמלית ברמה בין מוליכים ומבודדים; מוליכות זו מותאמת על ידי החדרת זיהומים במבנה הגביש באמצעות תהליך הנקרא אילוח (Doping). אילוח (Doping) באמצעות אלמנט‏ תורם-אלקטרונים (electron-donor) מעניק מטען‏ שלילי למוליך למחצה מסוג-n‏. מנגד, אילוח (Doping) באמצעות אלמנט‏ מקבל-אלקטרונים (electron-acceptor) יוצר חורים בעלי מטען חיובי עבור מוליך למחצה מסוג-p. שני אזורים סמוכים בעלי אילוח (Doping‏) שונה בגביש יחיד יוצרים צומת מוליך למחצה p-n. טרנזיסטורים יכולים להיות בעלי סידור צמתים npn או pnp.

סיליקון הוא חומר המוליך-למחצה הנפוץ ביותר במידה רבה. מאלחים (Dopants‏) סוג-n נפוצים הם זרחן וארסן, בעוד מאלחים (Dopants‏) סוג-p נפוצים הם בור וגליום.

איור 3: רובוט ששת-הצירים במכונת Jabil Precision Automation Solutions זו מבצעת משימות המתיחסות למיון רטיקל אוטומטי מבלי לסכן את סביבת החדר הנקי המוגבלת. (מקור תמונה: Omron Automation Americas)

ייצור מוליכים-למחצה הכי מתקדם מייצר מוצרים בעלי מאפיינים ננומטריים בין 1 ו-‎100 nm. כיוון שננומטר הוא אחד חלקי‏ מיליארד המטר והמרחק בין אטומים בודדים במוצק הוא בין 0.1‏ ו-‎0.4 nm, ננו-מבנים של מוליכים-למחצה מודרניים מתקרבים למגבלת הגודל של עד כמה קטנים מבני החומרים יכולים להיות. הדיוק הקיצוני הכרוך בייצור מוצרים כאלה דורש תהליכים המבוצעים בסביבות חדר נקי, כמו גם מוגנים מפני רעידות מפעילות סייסמית, מטוסים מקומיים, רכבות, תעבורה ומכונות סמוכות.

התהליכים המשמעותיים ביותר בייצור IC הם ייצור פרוסות סיליקון, ליתוגרפיה ואילוח (Doping) סלקטיבי, לרוב על ידי השתלת יונים. יצרני מוליכים-למחצה רבים מתמחים בייצור פרוסות סיליקון או ייצור עוקב של שבבים הכרוך בפוטוליתוגרפיה ואילוח (Doping). חברת Taiwan Semiconductor‏ (TSMC‏) מייצרת פרוסות סיליקון כמו גם שבבים; היצרן היחיד המיצר שבבים של 5‎-nm ו-3‎-nm מתקדמים. ליצרני מוליכים-למחצה מסוימים כמו Intel ו-Texas Instruments יש את הייצור שלהם וסומכים על TSMC לספק את השבבים המתקדמים ביותר שלהם בלבד. עם זאת, יצרנים רבים ללא אמצעי ייצור מוליכים-למחצה (כולל Apple‏, ARM‏ ו-Nvidia) מסתמכים לחלוטין על TSMC‏ לייצור המוליכים-למחצה שלהם.

איור 4‏: GlobalFoundries לאחרונה התחילה בהשקעה של‏ 1B$‏ כדי לאפשר למפעל הקיים שלה במדינת ניו-יורק ליצר‏ 150,000 פרוסות סיליקון נוספות לשנה. יכולת ייצור חדשה זו מיועדת לספק דרישה לשבבים עתירי מאפיינים עבור יישומי כלי-רכב, 5G‏ ו-IoT‏. המפעל גם יתמוך בדרישות ביטחון לאומי עבור שרשרת אספקה בטוחה. (מקור תמונה: GlobalFoundries)

בעוד AMD היא טכנית ללא מתקני ייצור, היא איננה תלויה ב-TSMC וקודם לכן ייצרה בעצמה את השבבים שלה. AMD הפרידה את עסקי הייצור שלה וקראה לה GlobalFoundries; חברה זו מיצרת בארה"ב, אירופה וסינגפור. מפעל הייצור שלה בניו-יורק, היסטורית יצרה שבבים קטנים עד ‎14 nm; באופק נמצאים שבבים של 4‎-nm ואחר כך ‎3-nm.

עיון בתהליכי ייצור שבבים ספציפיים

מרבית הייצור של מוליכים-למחצה משתמש בתהליכים מדרגיים בעלי תפוקה גבוהה המאפשרים יצירה של מיליוני מאפיינים נפרדים (אפילו מאפיינים ברמת ננו) בצעד יחיד. עיון בכמה פרטים.

ייצור פרוסות סיליקון: גושים קטנים של סיליקון רב-גבישי מותכים‏ באטמוספרה מפונה חלקית ארגון ואחר כך משוכים תוך שימוש בגביש‏ מגורן כדי לגדל ‏מטיל סיליקון גביש יחיד, גליל בעל חרוטי ראש וזנב שנוצרו בהתחלת התהליך ובעצירתו. אילוח (Doping) אחיד מסוים ניתן להוסיף לסיליקון בשלב זה.

איור 5‏: מוצגים כאן מספר מטילי גביש סיליקון והדיסקים שניתן לפרוס מהם. חרוטים עדיין קיימים על המטילים לאחר משיכה ולפני השחזה. (מקור תמונה: Getty Images‏)

אחר כך, המטיל מושחז לבלוק בעל קוטר מדויק ומוסיפים חריץ כדי לציין את אוריינטציית הגביש. אחר כך פורסים את הבלוק לפרוסות סיליקון תוך שימוש במסור‏ תיל; פרוסות הסיליקון מלוטשות ומעוגלות בשפה (beveled and lapped)‏ תוך שימוש בכלי ליטוש יהלום; ואחר כך גימורי המשטחים מלוטשים באמצעות צריבה כימית, טיפול בחום, ליטוש וניקוי במים אולטרה-טהורים וכימיקלים. פרוסות סיליקון נבדקות להיותן שטוחות ונקיות מחלקיקים לפני שהן נארזות.

איור 6‏: אפילו חומרי ניקוי מוכרים לכאורה מקבלים צורות חדשות כשמיועדים לשימוש בסביבה של חדר נקי. (מקור תמונה: .ACL Staticide Inc)

ליתוגרפיה: מעגלים אלקטרוניים מיוצרים על ידי שיקוע של שכבה דקה של מוליך מתכתי על מצע מוליך-למחצה ואחר כך שימוש בליתוגרפיה להדפסת מסכה עבור תבנית המעגל, לפני ‏הרחקה באמצעות צריבה של יתרת השכבה המוליכה. שיטות אלו פותחו במקור עבור מעגלים מודפסים גדולים יותר אך משמשים כעת עבור ייצור מעגלים-משולבים בעלי מאפיינים ננומטריים. סנפירי מתכת מודפסים בתבנית של רשת, עם שבבי תהליך-‎5-nm בעלי סנפירים מרווחים בפסיעה של בערך ‎20 nm. מערכות אוטומטיות עבור תהליך ספציפי זה לרוב משתמשות בטכנולוגיות הנעה-ישירה כמו גם בסיסי ייצוב ותוכנה ואפילו מסבי אוויר.

איור 7‏: מבני ננו ניתנים לחקירה באמצעות מיקרוסקופים אלקטרוניים כמו גם מיקרוסקופים scanning tunnelling. ציוד תיקון Photomask כמו זה המוצג כאן הופך גילוי פגמים ואימות תיקון לאוטומטי כדי להאיץ את התפוקה. מיקרוסקופ כוח אטומי מאפשר גילוי ותיקון פגמים וחלקיקים זרים בדיוק ננומטרי ועקביות דיוק ברמת אנגסטרום. (מקור תמונה: Park Systems)

שיקוע חומר שכבה דקה: בתהליך זה, משוקע חומר מתכתי על פרוסת הסיליקון תוך שימוש באידוי ואקום, שיקוע התזה או שיקוע אדי כימיקלים.

תבנות (Patterning): זהו תהליך הליתוגרפיה האקטואלי בו המסיכה מיושמת כדי למנוע את הסרת השכבה המתכתית מאזורים נבחרים בשלב הצריבה הבא. תהליכי תבנות נפוצים כוללים פוטוליתוגרפיה, ליתוגרפיית קרן אלקטרונים וליתוגרפיית‏ חותם-ננו. מתכת בין מרווחי המסכה מאודה על ידי לייזר או קרן אלקטרונים.

צריבה (Etching): ההסרה הכימית של שכבות חומר. צריבה רטובה כימית משתמשת בנוזלים ראקטיביים כמו חומצות, בסיסים וממיסים, בעוד צריבה יבשה משתמשת בגזים ראקטיביים. צריבה יבשה כוללת צריבת יון ראקטיבי (reactive ion etching) וצריבת פלזמה מצומדת מוליך (conductively coupled plasma etching). כאן, ציוד אוטומטי מבקר את קצב ומשך התהליך, פעולה חשובה כדי לשמור על מאפייני השבב בטולרנס.

שתילת יונים: לאחר יצירת רשת החיבורים החשמליים בפרוסת סיליקון, יש ליצור טרנזיסטורים בודדים בצמתים על ידי אילוח (Doping) הסיליקון ויצירת צמתי NPN או PNP. את זה משיגים על ידי כיוון אלומות יונים של אלמנטי האילוח לצמתים. המהירות הגבוהה מאוד של אלומות יונים מואצות גורמת להן לחדור את החומר ולהשתבץ בסריגי הגביש של פרוסת הסיליקון. התבניות הנוצרות במשך תהליך הליתוגרפיה משמשות לכוון במדויק את תהליך שתילת היונים.

שימוש באוטומציה כדי לספק איכות מוליכים-למחצה

חלק גדול מתעשיית המוליכים-למחצה של ארה"ב מייצר ציוד ייצור להבדיל מליצר למעשה מוליכים-למחצה. ציוד זה מיישם טכנולוגיות אוטומציית ייצור מכניות ואלקטרוניות קונבנציונליות יותר. לדוגמה:

• ציוד ליתוגרפיה מיוצר על ידי Applied Materials ו-ASML.
• ציוד שיקוע אדים כימיים מיוצר על ידי Lam Research ו-Applied Materials.
• ציוד צריבת פלסמה מיוצר על ידי Lam Research,‏ Applied Materials ו-Plasma-Therm.
• ציוד שתילת יונים מיוצר על ידי Axcelis Technologies ו-Varian Semiconductor Equipment Associates.

למרות שכיום ארה"ב מיבאת את מרבית נפחי המוליכים-למחצה שלה, כל שלבי הייצור מבוצעים במידה מסוימת בארה"ב. זה כולל ייצור פרוסות סיליקון כמו גם שבבים על ידי Intel,‏ GlobalFoundries, ‏Texas Instruments ואחרים.

תהליכי שיקוע שכבה דקה של חומר, תבנות ליתוגרפית, צריבה כימית ושתילת יונים עבור ייצור שבבים ניתנים למדרוג אינטרינזי. הם מאפשרים יצירה בו-זמנית של מיליוני צמתים בדידים. לכן יצרנים מגדילים רמות אוטומציה, בחלקו כדי לשפר פרודוקטיביות, אך בימים אלה לרוב כדי לשפר איכות.

אוטומציה גם קשורה לפעולות עם כימיקלים, שבבים וטיפול בפרוסות סיליקון, כמו גם לשימוש ברובוטים של חדר נקי המיוצרים על ידי יצרנים כמו KUKA Robotics. האחרונה משחקת‏ תפקיד חשוב בהפחתת הפסדים הנגרמים על ידי טעויות אנוש.

איור 8‏: רובוטים שיתופיים רוכבים על מערכות ציר שביעי כדי לטפל בפרוסות סיליקון (בעלי עובי של 40‎ µm‏ וקוטר של עד 300 מ"מ) המתקדמות דרך עד 1200 צעדים כדי לההפך לשבבים. (מקור תמונה: KUKA Robotics)

אך בייצור מוליכים-למחצה, אוטומציה היא לרוב יותר אודות העיבוד של נתונים ואוטומציה של החלטות הנובעות מכך. יצרני מוליכים למחצה משתמשים באלגוריתמים אוטומטיים עבור בקרת תהליכים מתקדמת או APC כמו גם בקרת תהליכים סטטיסטית או SPC. יש להקטין ואריאציות תהליך מעקב אלו ופגמים בייצור כתוצאה מכך באמצעות בקרת זמן-אמת של תהליכי ייצור. מערכות כאלו יכולות להשתמש בבינה מלאכותית ולמידת מכונה כדי לזהות תבניות במערכי נתונים גדולים מאוד תוך מעקב אחר פרמטרי תהליך ומדדי איכות רבים.

מנהיגות מחשבתית ב-Siemens‏ מגדירה APC כמקיפה שיטות שונות לצמצום השונות במשתני הבקרה, כולל fuzzy control, מודל predicative control, בקרה מבוססת-מודל, מודל סטטיסטי ורשתות נוירוניות. טכנולוגיות Industry 4.0‏ כאלו מיושמות לרוב באמצעות מערכות אקולוגיות משולבות כמו אלו המוצעות על ידי Siemens‏ או EcoStruxure של Schneider Electric (לתת שתי דוגמאות) עבור תעשיית המוליכים-למחצה. משתני תהליכים ניתנים לשילוב עם ניטור מצב מכונה עבור תחזוקה חזויה המפחיתה תחזוקה שגרתית של מכונת ייצור תוך מניעת זמן השבתה.

מסקנה

עם גבור המגמה של ארה"ב להבטיח תחרותיות ייצור מקומית של מוליכים-למחצה קריטיים אסטרטגית, אוטומציה חדשנית ביותר היא חיונית. רובוטים של חדר-נקי המבצעים טיפול בחומרים הם היישומים הנראים והברורים ביותר של אוטומציה, אך בקרת התהליכים האוטומטית של תהליכי הייצור האקטואליים היא התחום בו מרוויחים יתרונות תחרותיים אמיתיים. מבקרת תנאי הסביבה לגידול גביש סיליקון עד הבטחת אילוח (Doping) מדויק בצמתים במהלך השתלת יונים, היצור היעיל וללא פגמים של מעגלים-משולבים (ICs) ברמת ננו תלוי בבקרת זמן-אמת של אלפי פרמטרים של תהליכים.

בסופו של דבר תהיה זו בקרת תהליכים מתקדמת הכרוכה באינטגרציה של חיישני IIoT‏, אלגוריתמים AI ושיטות בקרה מבוססות-מודל מתקדמות אחרות שתבטיח את תחרותיות תעשיית המוליכים-למחצה של ארה"ב.