Q&A:반도체 제조의 과거, 현재, 미래

반도체 제조의 과거, 현재, 미래:산업 컨설턴트 Carl White와의 Q&A

1965년 Intel의 공동 설립자 Gordon E. Moore가 처음 제시한 개념인 무어의 법칙은 집적 회로(또는 마이크로칩)의 트랜지스터 수가 2년마다 두 배로 늘어나는 반면 컴퓨팅 비용은 다음과 같이 감소해야 한다고 예측했습니다. 컴퓨팅 능력의 기하급수적인 성장으로 이어집니다. 반도체 업계는 이러한 패러다임을 따라가기 위해 열심히 노력해 왔지만 더 적은 공간에서 더 많은 처리 능력을 지속적으로 제공하는 것은 쉽지 않습니다. 특히 경쟁자들이 같은 목표를 향해 노력하고 있고 첨단 기술에 대한 소비자의 요구가 지속적일 때 더욱 그렇습니다.

무어의 법칙 덕분에 "나는 속도가 필요함을 느낀다!" Top Gun의 회고적 인용문이라기보다 반도체 산업의 일상 생활에 대한 설명처럼 느껴질 수 있습니다. . 이것은 C.L.의 수석 엔지니어링 컨설턴트인 업계 베테랑인 Carl White와의 최근 대화에서 얻은 많은 핵심 내용 중 하나였습니다. 화이트 엔지니어링 서비스, LLC. 거의 40년 동안 반도체 산업 공급망 전반에 걸쳐 기업에서 일한 후 Carl은 개발 및 처리 능력 모두에서 속도에 대한 끊임없는 요구에 대해 훌륭한 관점을 제시했습니다. 과거 무어의 법칙을 따라잡을 수 있을 만큼 빠르게 혁신하기 위해 무엇이 요구되었는지, 반도체 산업이 현재 직면하고 있는 도전과제, 가까운 미래에 우리가 볼 수 있는 것에 대해 그가 말한 내용을 읽으십시오.

Swagelok 기준점(SRP): 함께해주셔서 감사합니다, 칼. 귀하의 배경에 대해 간단히 말씀해 주시겠습니까?

칼 화이트: 저는 애리조나 출신이며 1982년 반도체 처리 도구 OEM인 ASM에서 경력을 시작하기 전에 Arizona State에서 산업 기술 관리 및 기계 공학을 공부했습니다. 그곳에서 저는 Motorola 소유의 Spectrum CVD에서 일했습니다. 당시; 결국 Sony의 일부가 된 Materials Research Corporation; TEL이라고도 하는 Tokyo Electron; 그리고 결국 어플라이드 머티어리얼즈. 저는 38년 중 28년을 반도체 업계에서 OEM 분야에서 일했고 나머지 10년은 칩 제조업체인 Motorola Semiconductor Products Group에서 일했습니다. 저는 지난 15년 동안 ALD(원자층 증착) 기술을 연구한 후 작년에 ASM에서 은퇴했습니다. 지금은 업계의 기업들과 상담하고 있습니다.

SRP: 당신은 업계의 도구 OEM 및 칩 제조 업체 측면에서 광범위하게 일한 흥미로운 관점을 가지고 있는 것 같습니다. 이 일을 하면서 경력을 쌓게 된 동기는 무엇입니까?

CW: 매우 빠르게 변화하는 산업입니다. 기술은 끊임없이 변화하고 있으며 우주에서 일하는 우리들에게는 창의성과 지속적인 학습이 필요합니다. 지루할 틈이 없었습니다! 반도체 기술은 거의 모든 다른 산업에서 중요하기 때문에 내가 작업한 디자인이 어떻게 변화를 주도하는지 보는 것도 흥미로웠습니다.

SRP: 반도체 산업의 발전을 주도하는 메타 트렌드는 무엇입니까?

CW: 초기에는 우주 프로그램이었습니다. 나중에는 소비자 기술이었습니다. 슬라이드 룰에서 휴대용 계산기, 개인용 컴퓨터, 스마트폰에 이르기까지 우리는 반도체 기술의 발전으로 가능했습니다. 이제 우리는 A.I.의 등장을 보고 있습니다. 변화를 주도하는 자율주행차. 한 가지 변함없는 것은 제품을 생산하고 정보를 더 빨리 전달해야 한다는 것이었습니다. 더 많은 컴퓨팅 성능에 대한 요구를 충족하려면 새로운 반도체 기술이 지속적으로 필요합니다.

반도체 혁신의 주도권을 놓고 경쟁하는 데서 오는 추진력도 있다. 기업 간의 경쟁만이 아니라 글로벌 차원에서 벌어지는 일입니다. 시간이 지남에 따라 여러 국가에서 반도체 기술의 발전을 주도했으며 이러한 역동적인 변화는 때때로 산업 수준에서 더 큰 협력으로 이어집니다. 예를 들어, 14개의 미국 반도체 회사가 1987년 미국 정부와 함께 칩 제조 컨소시엄인 SEMATECH를 구성하여 그들이 생산하는 칩의 품질을 개선하여 세계 시장에서 더 나은 경쟁을 할 수 있도록 했습니다. 그로 인해 미국 반도체 산업의 발전이 가속화되었습니다. 당시 많은 회사들이 칩 기술을 설계, 제조 및 판매하는 모든 일을 하려고 했습니다. 그들은 전문화하는 법을 배웠고, 다른 회사를 위한 칩을 만드는 파운드리를 만들어 산업 발전을 합리화하는 데 도움이 되었습니다.

SRP: 칩 밀도와 반도체 기술의 발전 및 이를 통해 구동되는 전자 장치 간의 관계를 설명할 수 있습니까? 이것이 칩 생산에 필요한 장비와 부품에 어떤 영향을 미쳤습니까?

CW: 소형화는 무어의 법칙을 따라잡기 위한 끊임없는 요구입니다. 칩에 더 많은 트랜지스터를 사용하려면 점점 더 작아져야 합니다. 또한 제조 공정 발전에 맞춰 장비를 조정해야 합니다. 주요 변곡점은 1990년대 후반, 2000년대 초반에 업계가 칩의 기반으로 200mm에서 300mm 실리콘 웨이퍼로 이동하면서 주요 제조 및 도구 변경이 필요했습니다. 전자 누출이 적은 45nm(나노미터) 트랜지스터용 high-K(유전율) 게이트의 개발은 업계의 소형화 추구에서 또 다른 큰 단계였습니다. 저는 운이 좋게도 Intel에서 이러한 장비를 생산하는 데 사용한 장비를 개발하는 일을 했기 때문에 그 변화를 목격하는 것이 흥미로웠습니다. 이제 관점에서 회사는 5nm 칩 생산을 위해 노력하고 있습니다.

일반적으로 우리는 기업이 더 작은 프로세스 노드로 이동하려는 것을 보아왔습니다. 즉, 더 작고 빠르고 전력 효율적인 트랜지스터를 만들기 위해 더 작은 반도체 기술 기능 크기를 제조하는 것을 의미합니다. 이것은 경쟁자들이 하고 있는 일이기 때문에 무어의 법칙(2년마다 더 작은 프로세스 노드로 이동)의 예측을 능가합니다.

반도체 제조 업체는 도구 OEM에게 칩 성능과 관련하여 달성하고자 하는 것과 필요한 생산 공정이 무엇인지 알려줍니다. OEM은 이러한 종류의 성능을 가능하게 하는 생산 장비를 만들기 위해 노력하고, 그렇게 하면서 Swagelok과 같은 회사와 협력하여 기존 구성 요소를 찾거나 도구를 사용할 수 있도록 새로운 구성 요소를 엔지니어링하는 데 협력합니다. 이러한 협력은 OEM이 현재 필요한 구성 요소를 받는 데 도움이 되고 구성 요소 제조업체가 업계의 미래 요구 사항을 예측하는 데 도움이 되기 때문에 반도체 회사가 혁신의 속도를 따라가려면 매우 중요합니다.

SRP: 특정 전자 애플리케이션에 대한 시장 수요가 반도체 혁신을 주도합니까, 아니면 칩 기술 발전이 일반적으로 시장 수요를 선점합니까?

CW: 어느 쪽이든 갈 수 있습니다. 때로는 반도체 기술을 지속적으로 발전시켜야 한다는 일반적인 압력으로 인해 시장이 해당 기술로 무엇을 해야 할지 알기도 전에 돌파구로 이어질 수 있습니다. 예를 들어 1990년대에는 컴퓨팅 기능이 빠르게 발전했지만 칩 기술을 최대한 활용하는 데 필요한 소프트웨어 지식과 기술이 부족하여 응용 프로그램이 처리 기능에 뒤쳐졌습니다. 그러나 다른 경우에는 기존 애플리케이션이 더 많은 작업을 수행할 수 있도록 해야 한다는 압력이 있을 수 있습니다. 더 많은 데이터 처리 및 A.I. 응용 프로그램.

기본적으로 우리는 세 가지 수요의 시대를 보았습니다. 1960년대부터 1980년대까지는 컴퓨터와 계산 장비를 가능하게 하는 것이 전부였습니다. 그때 우리는 수천 개의 트랜지스터를 칩에 가지고 있었습니다. 1980년대부터 우리는 노트북 및 휴대폰과 같은 모바일 기술을 가능하게 하는 데 중점을 두었습니다. 이 시점까지 칩에 수백만 개의 트랜지스터가 있었습니다. 지난 10년 동안 데이터 전송 및 저장은 더 연결되고(24시간 소셜 상호 작용을 지원하는 스마트 장치의 등장으로) 더 연결되고 데이터 중심(Big 수요를 창출하는 데이터 및 기계 학습).

SRP: 더 작지만 더 강력한 칩에 대한 지속적인 수요가 반도체 제조에 사용되는 유체 시스템 구성 요소의 성능 요구 사항에 어떤 영향을 미쳤습니까?

CW: 시간이 지남에 따라 반도체 칩 형상의 변화로 인해 칩 제조 공정에 사용되는 다양한 유체 시스템 제품이 필요하게 되었습니다. 특히 트랜지스터가 작아짐에 따라 수율과 칩 신뢰성에 영향을 줄 수 있으므로 공정 중 오염을 피하는 것이 중요합니다. 통제되지 않은 공정 및 구성 요소 오염을 피해야 합니다. 결과적으로 업계는 벨로우즈 밸브(높은 주기 수명)에서 "사각 공간"과 포함된 가스의 양이 적고 움직이는 부품이 적은 다이어프램 밸브(역사적으로 더 깨끗함)로 이동했습니다.

이제 Swagelok ^® 출시와 함께 ALD20 밸브는 최근에 현대 반도체 제조에 필요한 초고순도(UHP) 성능을 여전히 제공하는 벨로우즈 밸브에서 나오는 고유량 용량의 이점을 보고 있습니다. 이는 시간이 지남에 따라 제조 기술이 향상되고 고품질 VIM-VAR 강철 및 내부식성 합금과 같은 향상된 재료에 접근할 수 있기 때문에 부분적으로 가능했습니다. 또한 이전보다 제품 출시 전 더 나은 테스트뿐만 아니라 전해 연마 및 부동태화와 같은 더 나은 마감 기술이 사용됩니다. 과거에 일부 회사에서 기술을 먼저 출시하기 위해 경쟁을 펼쳤지만 구성 요소를 충분히 검증하지 않아 문제가 발생했습니다. 제품이 반도체 공간에서 약속된 대로 즉시 작동할 것이라는 점을 아는 것이 중요합니다. 일관되고 반복 가능한 성능을 제공하기 위해 신뢰할 수 있는 구성 요소가 중요합니다.

SRP: 이전 질문과 유사하게, 새로운 칩 생산 공정을 가능하게 하기 위해 항상 밸브 기술이 변경되었습니까? 아니면 반도체 제조 진행이 유체 시스템 혁신을 주도했습니까?

CW: 반도체 제조 공정 변경은 UHP 밸브 및 기타 유체 시스템 구성 요소에서 필요한 것을 정의하는 데 확실히 역할을 했습니다. 마이크로칩을 제조할 때 일반적으로 결정질 웨이퍼(예:실리콘)를 전구체 가스로 일련의 정밀한 투여로 증착 챔버에 코팅하여 응고 전에 웨이퍼를 균일하게 코팅합니다. 우리는 점점 더 액체 및 고체 전구체 화학물질을 사용하여 고온과 신중하게 제어되는 공정을 사용하여 승화시킨 다음 UHP 밸브를 사용하여 웨이퍼에 투여하고 있습니다. 이러한 화학 물질은 종종 불안정하고 공격적이고 부식적인 특성을 가지므로 효과적으로 작업하기가 어렵습니다.

ALD(Atomic Layer Deposition) 및 ALE(Atomic Layer Etching) 공정에 의존하는 이유는 CVD(Chemical Vapor Deposition)와 해당 공정에서 사용한 전구체가 작은 트랜지스터 크기에서 칩 제조를 용이하게 할 만큼 효과적으로 제어할 수 없기 때문입니다. 오늘 봐. 예를 들어 산업이 1990년대에 높은 전도성 때문에 알루미늄에서 구리 인터커넥트로 이동한 것과 같이 공정 및 화학의 이러한 변화로 인해 구성 요소 변경이 필요합니다.

초기에 도구 OEM은 실망스러운 칩 수율이 종종 결함이 있는 장비가 아니라 프로세스 문제로 인해 발생한다는 것을 깨달았습니다. 습기, 대기에 노출되는 반응성 화학물질, 밸브에 잔류물을 형성하는 입자, 밸브 밀봉을 방해하는 입자 등은 모두 업계가 직면한 문제였습니다. 우리는 종종 고급 유체 시스템 구성 요소 및 시스템 설계를 통해 프로세스 문제를 제어하기 위해 진화하면서 배웠습니다. 이는 결과에 긍정적인 영향을 미쳤지만 칩 제조 프로세스와 구성 요소를 활성화하는 데 필요한 성능 요구 사항에도 영향을 미쳤습니다.

SRP: 이것이 반도체 제조 발전의 역사적 그림이라면 오늘날 업계가 직면한 과제는 무엇이며 이것이 유체 시스템 구성 요소 요구 사항에 어떤 영향을 미치고 있습니까?

CW: 칩 제조의 다음 단계에 도달하려면 안정적인 제품 제어, 반복성 및 밸브 제조 일관성이 필요합니다. 반도체 툴은 수많은 UHP 밸브를 필요로 하고, 밸브마다 완벽하게 균일한 성능을 갖기는 어렵지만 우리는 그 제조 일관성이 필요합니다. 그것은 고품질 제품에 관한 것이 아니라 밸브에서 밸브까지 동일한 품질입니다.

또한 온도 변화가 중요합니다. 더 높은 온도와 유속에서 성능의 일관성이 필요합니다. 지금은 3D NAND 칩 제조에 더 중점을 두고 있습니다. 즉, 트랜지스터가 서로 위에 쌓이면서 칩의 더 깊은 틈새에 더 많은 재료가 적층되므로 웨이퍼에 더 많은 전구체 매체를 주입해야 합니다. 이러한 위치를 효과적으로 코팅합니다. 허용 오차가 점점 더 엄격해지고 있으며, 이는 변동성을 허용하지 않는다는 것을 의미합니다.

"칩 제조의 다음 단계에 도달하려면 안정적인 제품 제어, 반복성 및 밸브 제조 일관성이 필요합니다."

SRP: 정확한 도징, 온도 안정성 및 유량 용량 외에 업계에서 계속해서 무어의 법칙을 따라잡기 위해 UHP 밸브에서 필요한 것은 무엇입니까?

CW: 우리는 청결과 내식성에도 계속 집중해야 합니다. 여기서 재료 과학이 중요합니다. 예를 들어, ALD20 밸브는 Alloy 22(Hastelloy ^® C22) 벨로우즈는 부식성이 강한 화학 물질에 견딜 수 있는 재료이기 때문입니다. 그러나 아무리 좋은 재료라도 모든 공정에서 이상적인 것은 아닙니다. 기하학적 구조가 더 작아지고 전구체 화학물질이 더 공격적이 됨에 따라 다양한 화학물질을 처리하기 위해 특수 코팅이 필요할 수 있습니다. 이러한 코팅을 개발하는 것은 어렵고 비용이 많이 들 수 있지만, 우리의 공정에서 부식에 대한 내성이 점점 줄어들고 있습니다.

이것이 유체 시스템 솔루션 제공업체가 신제품을 개발할 때 OEM 및 반도체 제조업체와 긴밀하게 협력하는 것이 중요한 이유입니다. 수십 년 전 Swagelok이 최초의 ALD 밸브를 ​​출시했을 때 협력이 중요했으며 그 어느 때보다 중요합니다. 때로는 이것이 도구 OEM과 협력하는 것을 의미하지만, 도구에 대한 수요는 칩 제작자에 의해 주도되기 때문에 때로는 팹과 직접 작업해야 할 수도 있습니다. 함께 문제를 해결하고 관련 회사의 개발 주기에 따라 무엇이 타당한지 파악하는 것입니다. 그러나 미래의 기술을 가능하게 하는 것은 바로 이 협업입니다.

SRP: 당신의 경력 동안 공급업체와의 협업은 어땠습니까? 개인적으로 어떻게 경험하셨나요?

CW: 경력 초기에 ASM에 있을 때 Swagelok ^® 개발에 대해 Swagelok와 협력했습니다. DH 시리즈 UHP 다이어프램 밸브. 우리는 220ºC의 진공에서 작동하고 당시 시장에서 사용 가능한 것보다 작은 밸브가 필요했기 때문에 ALD 도구에서 더 나은 성능을 얻기 위해 작은 공간에 더 많은 밸브를 장착할 수 있었습니다. 저는 Swagelok Southwest 및 Swagelok의 기업 엔지니어링 부서와 협력하여 옵션을 테스트했고 결국 훌륭한 솔루션에 도달했습니다. 그 결과 이중 피스톤 디자인의 다이어프램 밸브, 진공 챔버의 오염을 방지하는 데 도움이 되는 새로운 윤활유, 천만 사이클 이상 지속되는 극한의 온도 저항이 탄생했습니다.

또한 Swagelok 팀이 투명하고 공정 전반에 걸쳐 기꺼이 테스트 프로토콜과 데이터를 공유할 수 있었던 것도 도움이 되었습니다. 이는 다른 제조업체의 경우가 항상 그렇지는 않습니다. 또한 협력적 노력의 경우 항상 그렇듯이 사람들이 변화를 만듭니다. 당신은 당신의 일을 쉽게 즐길 수 있는 사람들과 일하기를 원했고, 이 프로젝트에서 함께 일한 팀은 최고 수준이었습니다. 제 반도체 업계 경력에서 저는 항상 "우리가 이깁니다"가 아니라 고객을 대할 때 윈-윈 상황을 원하는 비즈니스 담당자를 찾았습니다. 두 종류의 회사가 모두 존재하기 때문에 항상 신중하게 선택했습니다.

SRP: 반도체 산업의 다음 단계는 무엇입니까? 극복해야 할 과제는 무엇이며 가까운 장래에 무엇을 기대할 수 있습니까?

CW: 업계의 한 가지 과제는 확장 요구 사항을 따라가는 것입니다. 이제 7nm 또는 5nm 공정 노드에 있으므로 여기에서 어디로 가야 합니까? 기술을 더욱 소형화할 수 있는 재료와 제조 능력이 있습니까? 3D NAND 스태킹은 하나의 솔루션입니다. 우리는 더 많은 반도체가 서로 겹쳐져 있는 것을 보고 있으며, 이는 전통적으로 수행되었던 것에 비해 한 영역에 3배 많은 수의 트랜지스터를 패키징할 수 있습니다. 이를 용이하게 하기 위해 표면 전체를 코팅하지 않고 웨이퍼에서 원하는 곳에만 증착할 수 있는 선택적 증착 가능 기술과 같은 새로운 기술이 개발되고 있습니다.

재료도 변하고 있다. 업계에서는 실리콘이 아닌 웨이퍼 기반으로 탄화규소를 고려하고 있습니다. 실리콘은 찾기 쉽고 저렴하여 널리 채택되었지만 작은 크기의 트랜지스터에 전력을 공급하려면 다른 재료가 필요하기 때문에 게르마늄과 같은 재료가 다시 사용되는 것을 볼 수 있었습니다. 다른 빠르고 유망한 재료는 시간이 지남에 따라 조사되었지만 제조 프로세스 또는 칩 요구 사항으로 인해 이러한 값 비싼 특수 재료가 경제적으로 실행 가능하지 않았을 수 있습니다. 이제 필요할 수 있습니다.

변경해야 하는 것은 웨이퍼 재료뿐만 아니라 프로세스:증착 대상, 에칭 방법 등입니다. 극자외선 리소그래피(EUV)와 같은 새로운 방법이 사용되고 있지만 5~3nm보다 작은 트랜지스터에 대한 작업을 시작하면 훨씬 더 오래 작동하지 않을 수 있습니다. 비용은 규모가 작아질수록 기하급수적으로 높아지므로 너무 비싸서 모든 사람보다 무어의 법칙을 따라가려고 애쓰는 전문 제공자가 더 많을 수 있습니다.

SRP: 관점에 감사드립니다, Carl. 과거에 맡았던 역할을 담당하는 반도체 전문가들에게 마지막으로 당부의 말씀이 있으신가요?

CW: 한 가지 확실한 점은 아직 어떻게 될지는 알 수 없더라도 계속 발전할 것이라는 점입니다. 당신이 의지할 수 있는 한 가지는 당신이 가고자 하는 곳에 도달하기 위해 강력한 관계와 협력이 필요하다는 것입니다.

특별한 요구 사항이 있을 때 이를 해결하기 위해 선반에서 제품을 구입하는 것만큼 간단하지는 않습니다. 때로는 파트너와 협력하여 차세대 솔루션을 개발해야 합니다. 그럴 때 엔지니어링 능력과 협력적 사고 방식을 갖추고 원하는 목표를 달성하는 데 도움이 되는 회사를 찾으십시오. 당신은 당신의 요구에 귀를 기울이고, 할 수 없는 일은 절대 약속하지 않으며, 당신을 행복하게 하기 위해 품질을 희생하지 않을 협력자가 필요합니다. 빠르게 움직일 때 많은 회사와 함께하는 위험이 있으므로 신뢰할 수 있는 사람을 알아보십시오. 관계를 구축하는 것은 결과를 구축하기 위해 할 수 있는 최선의 일입니다.

“… 원하는 목표를 달성하는 데 도움이 되는 엔지니어링 역량과 협력적 사고방식을 갖춘 회사를 찾으십시오. 당신의 요구를 들어줄 협력자가 필요합니다…”

SRP: 고마워요, 칼! 오늘 시간을 내어 지식을 공유해 주셔서 감사합니다.

CW: 천만에요. 기꺼이 도와드리겠습니다.