Cómo la automatización ayuda a los fabricantes estadounidenses a ampliar la fabricación de semiconductores

Los semiconductores son el núcleo de toda la electrónica moderna, la distribución de energía y la generación de energía renovable. Los semiconductores abarcan desde simples componentes discretos, como transistores y diodos, hasta complejos circuitos integrados o CI. Los dispositivos semiconductores suelen ser el núcleo de las puertas lógicas que se combinan para crear circuitos digitales. También están en osciladores, sensores, amplificadores analógicos, células fotovoltaicas, LED, láseres y convertidores de potencia. Las categorías de productos del sector incluyen memoria, lógica, CI analógicos, microprocesadores, dispositivos de alimentación discretos y sensores.

Figura 1: La producción de circuitos integrados y otros productos semiconductores requiere equipos especiales. (Fuente de la imagen: Getty Images)

A pesar del carácter crítico de los semiconductores, gran parte del mundo depende de cadenas de suministro mundiales poco diversificadas y, por tanto, vulnerables. Esto se debe a economías de escala muy importantes que hacen que la producción altamente consolidada sea más competitiva desde el punto de vista económico. Al fin y al cabo, las instalaciones de fabricación de semiconductores cuestan miles de millones y necesitan personal muy cualificado.

Figura 2: Motores lineales, transmisiones por correa y guías lineales de perfil en miniatura son solo algunos de los equipos de precisión de la maquinaria para procesar semiconductores. (Fuente de la imagen: Getty Images)

La mayoría de las fábricas (fundiciones) se encuentran en Taiwán, Japón, China, Estados Unidos y Alemania, y llevan décadas funcionando. Sin embargo, más de la mitad de todos los semiconductores y más del 90% de todos los semiconductores avanzados se fabrican en Taiwán, y todos los grandes fabricantes de electrónica utilizan una única planta taiwanesa de fabricación de semiconductores para al menos parte de su producción. Las recientes tensiones geopolíticas han puesto de manifiesto los peligros de esta dependencia. La Ley 2022 de Creación de Incentivos Útiles para la Producción de Semiconductores (CHIPS) y Ciencia pretende resolver este problema incentivando a los operadores y proveedores de automatización para que establezcan y amplíen la producción de semiconductores en Estados Unidos.

La situación de la fabricación de semiconductores

La mayoría de los materiales son buenos conductores de la electricidad, como los metales, o aislantes, como el vidrio. Los semiconductores tienen una conductividad eléctrica intermedia entre la de los conductores y la de los aislantes; esa conductividad se ajusta introduciendo impurezas en la estructura cristalina mediante un proceso denominado dopaje. El dopaje con un elemento donador de electrones confiere una carga negativa a un semiconductor de tipo n. A la inversa, el dopaje con un elemento aceptor de electrones crea huecos con carga positiva para un semiconductor de tipo p. Dos regiones adyacentes, pero dopadas de forma diferente dentro de un mismo cristal forman una unión p-n semiconductora. Los transistores pueden tener uniones NPN o PNP.

El silicio es, con diferencia, el material semiconductor más común. Los dopantes comunes de tipo n son el fósforo y el arsénico, mientras que los dopantes comunes de tipo p son el boro y el galio.

Figura 3: El robot de seis ejes de esta máquina de Jabil Precision Automation Solutions ejecuta tareas relacionadas con la clasificación automatizada de retículas sin poner en peligro el entorno de la sala blanca. (Fuente de la imagen: Omron Automation Americas)

La fabricación de semiconductores más avanzada produce artículos con características nanoescalares de entre 1 y 100 nm. Como un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro y la distancia entre átomos individuales en un sólido oscila entre 0.1 y 0.4 nm, las nanoestructuras semiconductoras modernas se han acercado al límite de lo pequeñas que pueden ser las estructuras materiales. La extrema precisión que implica la fabricación de estos productos exige procesos ejecutados en entornos de sala blanca, así como protegidos contra las vibraciones de la actividad sísmica, las aeronaves locales, los trenes, el tráfico y la maquinaria cercana.

Los procesos más importantes en la fabricación de CI son la producción de obleas, la litografía y el dopaje selectivo, normalmente por implantación iónica. Muchas fábricas se especializan en la fabricación de obleas o en la posterior fabricación de chips mediante fotolitografía y dopaje. Taiwan Semiconductor (TSMC) produce tanto obleas como chips; es la única fábrica que produce chips avanzados de 5 y 3 nm. Algunos fabricantes de semiconductores, como Intel y Texas Instruments, tienen sus propias fábricas y solo dependen de TSMC para suministrar sus chips más avanzados. Sin embargo, muchos fabricantes sin fábrica (como Apple, ARM y Nvidia) confían por completo en TSMC para la fabricación de sus semiconductores.

Figura 4: GlobalFoundries ha iniciado recientemente una inversión de 1000 millones de dólares para que sus instalaciones existentes en el estado de Nueva York puedan producir 150,000 obleas más al año. Esta nueva capacidad pretende satisfacer la demanda de chips ricos en características para aplicaciones de automoción, 5G e IoT. La instalación también apoyará los requisitos de seguridad nacional para una cadena de suministro segura. (Fuente de la imagen: GlobalFoundries)

Aunque AMD carece técnicamente de fábrica, no depende de TSMC y anteriormente fabricaba sus propios chips. AMD escindió su negocio de fabricación y lo denominó GlobalFoundries; esta última opera fábricas en Estados Unidos, Europa y Singapur. Su fábrica de Nueva York ha producido chips de hasta 14 nm; en el horizonte están los de 4 nm y luego los de 3 nm.

Consideración de los procesos específicos de fabricación de virutas

Gran parte de la fabricación de semiconductores emplea procesos escalables de alto rendimiento que permiten crear millones de características individuales (incluso a nanoescala) en un solo paso. Considere algunos de los detalles.

Fabricación de obleas de silicio: Las pepitas de silicio policristalino se funden en una atmósfera de argón parcialmente evacuada y, a continuación, se extraen utilizando un cristal semilla para hacer crecer un lingote de silicio monocristalino: un cilindro con conos de cabeza y cola que se forman al iniciar y detener el proceso. En esta fase puede añadirse a la silicona un dopaje uniforme.

Figura 5: Aquí se muestran varios lingotes de silicio cristalino y los discos que se pueden cortar a partir de ellos. Los conos siguen presentes en los lingotes después de la extracción y antes de la molienda. (Fuente de la imagen: Getty Images)

A continuación, el lingote se muele hasta obtener un bloque con un diámetro preciso y se le añade una muesca para indicar la orientación del cristal. A continuación, el bloque se corta en obleas con una sierra de hilo; las obleas se biselan y lapean con herramientas de rectificado de diamante; y después se perfeccionan los acabados superficiales con grabado químico, tratamiento térmico, pulido y limpieza con agua ultrapura y productos químicos. Las obleas se inspeccionan para comprobar su planitud y su limpieza sin partículas antes de envasarlas.

Figura 6: Incluso productos de limpieza aparentemente familiares adoptan nuevas formas cuando se destinan a su uso en salas limpias. (Fuente de la imagen: ACL Staticide, Inc.)

Litografía: Los circuitos electrónicos se fabrican depositando primero una fina capa de conductor metálico sobre un sustrato semiconductor y, a continuación, utilizando la litografía para imprimir una máscara para los patrones del circuito, antes de grabar la capa conductora restante. Estos métodos se desarrollaron originalmente para circuitos impresos de mayor tamaño, pero ahora se utilizan para la fabricación a nanoescala de CI. Las aletas metálicas se imprimen en un patrón de rejilla, con chips procesados a 5 nm que tienen aletas espaciadas a un paso de unos 20 nm. Los sistemas automatizados para este proceso concreto suelen emplear tecnologías de accionamiento directo, así como bases y software de estabilización e incluso cojinetes neumáticos.

Figura 7: Las estructuras a nanoescala pueden investigarse con microscopios electrónicos y microscopios de efecto túnel. Los equipos de reparación de fotomáscaras como el que se muestra aquí automatizan la detección de defectos y la verificación de las reparaciones para acelerar la tasa de producción. La microscopía de fuerza atómica permite detectar y reparar defectos y partículas extrañas con una exactitud nanométrica y una precisión de nivel angstrom. (Fuente de la imagen: Park Systems)

Deposición de material en capa fina: En este proceso, el material metálico se deposita sobre la oblea de silicio mediante evaporación al vacío, deposición por pulverización catódica o deposición química en fase vapor.

Patronaje: Se trata del proceso litográfico real durante el cual se aplica la máscara para evitar que se elimine la capa metálica de las zonas seleccionadas en el paso de grabado posterior. Entre los procesos de creación de patrones más comunes se encuentran la fotolitografía, la litografía por haz de electrones y la litografía por nanoimpresión. El metal entre los huecos de la máscara se vaporiza mediante un láser o un haz de electrones.

Aguafuerte: Eliminación química de capas de material. El grabado químico en húmedo utiliza líquidos reactivos como ácidos, bases y disolventes, mientras que el grabado en seco utiliza gases reactivos. El grabado en seco incluye el grabado por iones reactivos y el grabado por plasma acoplado conductivamente. En este caso, los equipos automatizados controlan la duración y el ritmo del proceso, lo que resulta clave para mantener las características de las virutas dentro de las tolerancias.

Implantación de iones: Una vez creada la red de conexiones eléctricas en una oblea de silicio, hay que crear transistores individuales en las uniones dopando la silicona para crear uniones NPN o PNP. Esto se consigue dirigiendo haces de iones compuestos por los elementos dopantes a las uniones. La altísima velocidad de los haces de iones acelerados hace que penetren en el material y se incrusten en la red cristalina de la oblea de silicio. Los patrones creados durante el proceso litográfico se utilizan para guiar con precisión el proceso de implantación de iones.

La automatización al servicio de la calidad de los semiconductores

Gran parte de la industria estadounidense de semiconductores produce actualmente equipos de fabricación en lugar de fabricar semiconductores propiamente dichos. Estos equipos aplican tecnologías de automatización de fabricación mecánica y electrónica más convencionales. Por ejemplo:

• Applied Materials y ASML fabrican los equipos de litografía.
• Lam Research y Applied Materials fabrica el equipo de deposición química en fase vapor.
• Lam Research, Applied Materials y Plasma-Therm fabrican los equipos de grabado por plasma.
• Axcelis Technologies y Varian Semiconductor Equipment Associates fabrican los equipos de implantación de iones.

Aunque actualmente Estados Unidos importa la mayor parte de sus volúmenes de semiconductores, todas las fases de fabricación se ejecutan en cierta medida dentro del país. Esto incluye tanto la fabricación de obleas como de chips por parte de Intel, GlobalFoundries, Texas Instruments y otros.

Los procesos de deposición de materiales en películas finas, estampado litográfico, grabado químico e implantación de iones para la fabricación de chips son intrínsecamente escalables. Permiten crear simultáneamente millones de uniones individuales. Por ello, los fabricantes aumentan los niveles de automatización, en parte para mejorar la productividad, pero más a menudo para mejorar la calidad.

La automatización también está asociada a las operaciones de manipulación de productos químicos, chips y obleas, así como al uso de robots para salas blancas producidos por fabricantes como KUKA Robotics. Estos últimos desempeñan un papel importante en la reducción de las pérdidas causadas por errores humanos.

Figura 8: Robots colaborativos montados en sistemas de séptimo eje para manipular obleas de silicio (de 40 µm de grosor y hasta 300 mm de diámetro) a medida que avanzan por hasta 1.200 pasos para convertirse en chips. (Fuente de la imagen: KUKA Robotics)

Pero en la fabricación de semiconductores, la automatización suele consistir más en el tratamiento de datos y la automatización de las decisiones resultantes. Las fábricas utilizan algoritmos automatizados para el control avanzado de procesos o APC (Advanced Process Control), así como el control estadístico de procesos o SPC (Statistical Process Control). Permiten seguir las variaciones del proceso y los defectos de fabricación resultantes para reducirlos mediante el control en tiempo real de los procesos de fabricación. Estos sistemas pueden emplear la inteligencia artificial y el aprendizaje automático para identificar patrones dentro de conjuntos de datos muy grandes que rastrean muchos parámetros de proceso y métricas de calidad.

Siemens define el APC como un conjunto de métodos para reducir la variación de las variables de control, como el control difuso, el control predictivo de modelos, el control basado en modelos, los modelos estadísticos y las redes neuronales. Estas tecnologías de la Industria 4.0 suelen implantarse a través de ecosistemas integrados como los que ofrecen Siemens o EcoStruxure de Schneider Electric (por poner dos ejemplos) para la industria de semiconductores. Las variables del proceso pueden combinarse con la supervisión del estado de la máquina para realizar un mantenimiento predictivo que reduzca el mantenimiento rutinario de la máquina de producción y evite los tiempos de inactividad.

Conclusión:

A medida que Estados Unidos avanza para garantizar la competitividad de la producción nacional de semiconductores de importancia estratégica, la automatización de vanguardia será esencial. Los robots para salas blancas que manipulan materiales son la aplicación más obvia y visible de la automatización, pero es en el control automatizado de los procesos de fabricación reales donde se obtienen verdaderas ventajas competitivas. Desde controlar el entorno de crecimiento de los cristales de silicio hasta garantizar un dopaje preciso en las uniones durante la implantación iónica, la producción eficaz y sin defectos de CI a nanoescala depende del control en tiempo real de miles de parámetros de proceso.

En última instancia, será el control avanzado de procesos que implica la integración de sensores IIoT, algoritmos de IA y otros métodos avanzados de control basados en modelos lo que garantizará la competitividad de la industria de semiconductores estadounidense.