Como a automação está ajudando os fabricantes dos EUA a ampliar a fabricação de semicondutores

Os semicondutores são essenciais para todos os eletrônicos modernos, para a distribuição de energia e para a geração de energia renovável. Os produtos semicondutores variam de simples componentes discretos, como transistores e diodos, a complexos circuitos integrados ou CIs. Os dispositivos semicondutores geralmente estão no cerne das portas lógicas que se combinam para formar circuitos digitais. Eles também estão presentes em osciladores, sensores, amplificadores analógicos, células fotovoltaicas, LEDs, lasers e conversores de energia. As categorias de produtos do setor incluem memória, lógica, CIs analógicos, microprocessadores, dispositivos discretos de potência e sensores.

Figura 1: A produção de circuitos integrados e outros produtos semicondutores exige equipamentos especiais. (Fonte da imagem: Getty Images)

Apesar da natureza crítica dos semicondutores, grande parte do mundo depende de cadeias de suprimentos globais não diversificadas e, portanto, vulneráveis. Isso se deve a economias de escala muito significativas que tornam a produção altamente consolidada mais competitiva do ponto de vista econômico. Afinal de contas, as instalações de fabricação de semicondutores custam bilhões para serem construídas e precisam de uma equipe altamente qualificada.

Figura 2: Motores lineares, acionamentos por correia e guias lineares de trilho de perfil em miniatura são apenas alguns dos equipamentos de precisão em máquinas para processar semicondutores. (Fonte da imagem: Getty Images)

A maioria das fábricas (fundições) está localizada em Taiwan, no Japão, na China, nos EUA e na Alemanha e está em operação há décadas. No entanto, mais da metade de todos os semicondutores e mais de 90% de todos os semicondutores avançados são fabricados em Taiwan, com todos os principais fabricantes de eletrônicos usando uma única fábrica de semicondutores taiwanesa para pelo menos parte de sua fabricação de semicondutores. As recentes tensões geopolíticas trouxeram à tona os perigos dessa dependência. A lei CHIPS (Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors) e de ciência, de 2022, tem como objetivo abordar esse problema incentivando operadores e fornecedores de automação a estabelecer e expandir a produção de semicondutores nos EUA.

O estado da fabricação de semicondutores

A maioria dos materiais são bons condutores de eletricidade, como os metais, ou isolantes, como o vidro. Os semicondutores têm condutividade elétrica entre a dos condutores e a dos isolantes; essa condutividade é ajustada pela introdução de impurezas na estrutura cristalina por meio de um processo chamado dopagem. A dopagem com um elemento doador de elétrons gera uma carga negativa para um semicondutor do tipo n. Por outro lado, a dopagem com um elemento aceitador de elétrons cria lacunas com carga positiva para um semicondutor do tipo p. Duas regiões adjacentes, mas com dopagem diferente em um único cristal, formam uma junção p-n semicondutora. Os transistores podem ser dispostos com junções NPN ou PNP.

O silício é, de longe, o material semicondutor mais comum. Os dopantes comuns do tipo n são o fósforo e o arsênio, enquanto os dopantes comuns do tipo p são o boro e o gálio.

Figura 3: O robô de seis eixos dessa máquina da Jabil Precision Automation Solutions executa tarefas relacionadas à classificação automatizada de retículos sem comprometer o ambiente de sala limpa. (Fonte da imagem: Omron Automation Americas)

A fabricação mais avançada de semicondutores produz produtos com características em nanoescala entre 1 e 100 nm. Como um nanômetro é um bilionésimo de metro e a distância entre átomos individuais em um sólido está entre 0,1 e 0,4 nm, as nanoestruturas semicondutoras modernas se aproximaram do limite de quão pequenas as estruturas materiais podem ser. A extrema precisão envolvida na fabricação desses produtos exige processos executados em ambientes de sala limpa, bem como protegidos contra a vibração de atividades sísmicas, aeronaves locais, trens, tráfego e máquinas próximas.

Os processos mais importantes na fabricação de CIs são a produção de lâminas, a litografia e a dopagem seletiva, mais comumente por implantação de íons. Muitas fábricas são especializadas na fabricação de lâminas ou na fabricação subsequente de chips envolvendo fotolitografia e dopagem. A Taiwan Semiconductor (TSMC) produz lâminas e chips; é a única fábrica que produz chips avançados de 5 nm e 3 nm. Alguns fabricantes de semicondutores, como a Intel e a Texas Instruments, têm suas próprias fábricas e dependem apenas da TSMC para fornecer seus chips mais avançados. Entretanto, muitos fabricantes sem instalações (incluindo Apple, ARM e Nvidia) dependem inteiramente da TSMC para a fabricação de semicondutores.

Figura 4: A GlobalFoundries iniciou recentemente um investimento de US$ 1 bilhão para permitir que sua instalação existente no estado de Nova York produza mais 150.000 lâminas por ano. Essa nova capacidade visa atender à demanda por chips repletos de recursos para aplicações automotivas, 5G e IoT. A instalação também atenderá aos requisitos de segurança nacional para uma cadeia de suprimentos segura. (Fonte da imagem: GlobalFoundries)

Embora a AMD esteja tecnicamente sem fábrica, ela não depende da TSMC e já fabricou seus próprios chips. A AMD desmembrou sua empresa de fabricação e a chamou de GlobalFoundries; esta última opera fábricas nos EUA, na Europa e em Cingapura. Sua fábrica em Nova York produziu historicamente chips de até 14 nm; no horizonte estão os chips de 4 nm e, em seguida, os de 3 nm.

Considerando processos específicos de fabricação de chips

Grande parte da fabricação de semicondutores emprega processos escalonáveis de alto rendimento que permitem a criação de milhões de recursos individuais (até mesmo recursos em nanoescala) em uma única etapa. Considere algumas das especificidades.

Fabricação de lâminas de silício: As pepitas de silício policristalino são derretidas em uma atmosfera de argônio parcialmente evacuada e, em seguida, puxadas usando um cristal de semente para produzir um lingote de silício de cristal único — um cilindro com cones de cabeça e cauda formados quando o processo é iniciado e interrompido. Um pouco de dopagem uniforme pode ser adicionado ao silício nesse estágio.

Figura 5: Aqui são mostrados vários lingotes de silício cristalino e os discos que podem ser cortados a partir deles. Os cones ainda estão presentes nos lingotes após a extração e antes do desbaste. (Fonte da imagem: Getty Images)

Em seguida, o lingote é desbastado em um bloco com um diâmetro preciso e um entalhe é adicionado para indicar a orientação do cristal. O bloco é então cortado em lâminas usando uma serra de arame; as lâminas são chanfradas e lapidadas usando ferramentas de desbaste por diamante; e, em seguida, os acabamentos de superfície são refinados com corrosão química, tratamento térmico, polimento e limpeza com água ultrapura e produtos químicos. As lâminas são inspecionadas quanto à planeza e à limpeza sem partículas, antes de serem embaladas.

Figura 6: Até mesmo produtos de limpeza aparentemente familiares assumem novas formas quando destinados ao uso em ambientes de sala limpa. (Fonte da imagem: ACL Staticide Inc.)

Litografia: Os circuitos eletrônicos são produzidos primeiro depositando um filme fino de condutor metálico em um substrato semicondutor e, em seguida, usando a litografia para imprimir uma máscara com os padrões do circuito, antes de corroer a camada condutora restante. Esses métodos foram originalmente desenvolvidos para circuitos impressos maiores, mas agora são usados para a fabricação de CIs em nanoescala. As aletas de metal são impressas em um padrão de grade, com chips de processo de 5 nm com aletas espaçadas em um passo de cerca de 20 nm. Os sistemas automatizados para esse processo específico geralmente empregam tecnologias de acionamento direto, bem como bases e software de estabilização e até mesmo rolamentos de ar.

Figura 7: As estruturas em nanoescala podem ser investigadas por meio de microscópios eletrônicos e microscópios de varredura por tunelamento. O equipamento de reparo de fotomáscaras, como o mostrado aqui, automatiza a detecção de defeitos e a verificação de reparos para agilizar o rendimento. A microscopia de força atômica permite a detecção e o reparo de defeitos e partículas estranhas com exatidão nanométrica e precisão ao nível de angstrom. (Fonte da imagem: Park Systems)

Deposição de material em filme fino: Nesse processo, o material metálico é depositado na lâmina de silício usando evaporação a vácuo, deposição por pulverização catódica ou deposição química a vapor.

Padronização: Esse é o processo real de litografia durante o qual a máscara é aplicada para evitar que a camada de metal seja removida de áreas selecionadas na etapa subsequente de corrosão. Os processos comuns de padronização incluem fotolitografia, litografia por feixe de elétrons e litografia por nanoimpressão. O metal entre as aberturas da máscara é vaporizado por um feixe de laser ou de elétrons.

Corrosão: a remoção química de camadas de material. A corrosão química úmida usa líquidos reativos, como ácidos, bases e solventes, enquanto a corrosão seca usa gases reativos. A corrosão seca inclui a corrosão com íons reativos e a corrosão por plasma acoplado condutivamente. Aqui, o equipamento automatizado controla a duração e a taxa do processo, o que é fundamental para manter as características do chip dentro das tolerâncias.

Implantação de íons: Após a criação da grade de conexões elétricas em uma lâmina de silício, os transistores individuais devem ser criados nas junções por meio da dopagem do silício para criar junções NPN ou PNP. Isso é obtido com o direcionamento de feixes de íons compostos pelos elementos dopantes nas junções. A velocidade muito alta dos feixes de íons acelerados faz com que eles penetrem no material e se incorporem à estrutura cristalina da lâmina de silício. Os padrões criados durante o processo de litografia são usados para orientar com precisão o processo de implantação de íons.

Empregando a automação para oferecer qualidade de semicondutores

Atualmente, grande parte do setor de semicondutores dos EUA produz equipamentos de fabricação em vez de fabricar os próprios semicondutores. Esse equipamento aplica tecnologias de automação de fabricação mecânica e eletrônica mais convencionais. Por exemplo:

• O equipamento de litografia é fabricado pela Applied Materials e pela ASML.
• O equipamento de deposição química a vapor é fabricado pela Lam Research e Applied Materials.
• O equipamento de corrosão por plasma é fabricado pela Lam Research, Applied Materials e Plasma-Therm.
• O equipamento de implantação de íons é fabricado pela Axcelis Technologies e pela Varian Semiconductor Equipment Associates.

Embora atualmente os EUA importem a maior parte de seus volumes de semicondutores, todos os estágios de fabricação são executados, até certo ponto, nos EUA. Isso inclui a fabricação de lâminas e chip pela Intel, GlobalFoundries, Texas Instruments e outras.

Os processos de deposição de material de filme fino, padronização litográfica, corrosão química e implantação de íons para a fabricação de chips são intrinsecamente escalonáveis. Eles permitem que milhões de junções individuais sejam criadas simultaneamente. Portanto, os fabricantes estão aumentando os níveis de automação, em parte para melhorar a produtividade, mas, atualmente, com mais frequência, para melhorar a qualidade.

A automação também está associada a operações de manuseio de produtos químicos, chips e lâminas, bem como ao uso de robôs de sala limpa produzidos por fabricantes como a KUKA Robotics. Esses últimos desempenham um papel importante na redução das perdas causadas por erros humanos.

Figura 8: Robôs colaborativos utilizam sistemas de sétimo eixo para manusear lâminas de silício (40 µm de espessura e até 300 mm de diâmetro) à medida que avançam por até 1.200 etapas para serem transformadas em chips. (Fonte da imagem: KUKA Robotics)

No entanto, na fabricação de semicondutores, a automação geralmente está mais relacionada ao processamento de dados e à automação das decisões resultantes. As fábricas usam algoritmos automatizados para controle avançado de processos ou APC, bem como controle estatístico de processos ou SPC. Elas rastreiam as variações do processo e os defeitos de fabricação resultantes a serem reduzidos por meio do controle em tempo real dos processos de fabricação. Esses sistemas podem empregar inteligência artificial e aprendizado de máquina para identificar padrões em conjuntos de dados muito grandes que rastreiam muitos parâmetros de processo e métricas de qualidade.

A liderança da Siemens define o APC como abrangendo vários métodos para reduzir a variação nas variáveis de controle — incluindo controle difuso, controle preditivo de modelo, controle baseado em modelo, modelo estatístico e redes neurais. Essas tecnologias da indústria 4.0 geralmente são implementadas por meio de ecossistemas integrados, como os oferecidos pela Siemens ou pelo EcoStruxure da Schneider Electric (para dar dois exemplos) para o setor de semicondutores. As variáveis do processo podem ser combinadas com o monitoramento da condição da máquina para manutenção preditiva que reduz a manutenção rotineira da máquina de produção e evita paralisações.

Conclusão

À medida que os EUA se movimentam para garantir a competitividade da produção doméstica de semicondutores estrategicamente críticos, a automação do estado da arte será essencial. Os robôs de salas limpas que realizam o manuseio de materiais são a implementação mais óbvia e visível da automação, mas é no controle automatizado dos processos de fabricação que se obtêm vantagens competitivas reais. Desde o controle do ambiente para o crescimento do cristal de silício até a garantia de dopagem precisa nas junções durante a implantação de íons, a produção eficiente e livre de defeitos de CIs em nanoescala depende do controle em tempo real de milhares de parâmetros de processo.

Em última análise, será o controle avançado de processos envolvendo a integração de sensores de IIoT, algoritmos de AI e outros métodos avançados de controle baseados em modelos que garantirão a competitividade do setor de semicondutores dos EUA.