自动化技术如何帮助美国制造商扩大半导体制造规模

半导体器件是所有现代电子、配电和可再生能源发电的核心。半导体产品包括从简单的分立元件，如晶体管、二极管到复杂的集成电路 (IC)。半导体器件往往是构成数字电路中逻辑门的核心元件。半导体器件还用于振荡器、传感器、模拟放大器、光伏电池、LED、激光器和电源转换器。行业产品类别包括存储器、逻辑器件、模拟 IC、微处理器、分立式功率器件和传感器。

图 1：生产集成电路和其他半导体器件需要特种设备。（图片来源：Getty Images）

尽管半导体器件至关重要，但世界上大部分地区都依赖于非多样化，因而是脆弱的全球供应链。这是由于非常显著的规模经济，使高度整合型生产在经济上更具竞争力。毕竟，半导体制造设施的建造成本高达数十亿，并且要求员工具有非常高的技能。

图 2：直线电机、皮带驱动器和微型直线导轨线性执行器只是半导体加工机械中的一些精密设备。（图片来源：Getty Images）

大多数晶圆厂（代工厂）位于台湾、日本、中国、美国和德国，并且已运营了几十年。然而，超过半数以上的半导体产品和 90% 以上的先进半导体产品由台湾制造的，所有主要的电子制造商都通过一家台湾的半导体制造厂来制造至少部分半导体产品。最近，地缘政治紧张局势使这种依赖性的危险性变得异常突出。2022 年度创造有助于半导体生产的激励措施 (CHIPS) 和科学法案，旨在通过激励运营商和自动化供应商建立、扩大美国的半导体生产来解决这一问题。

半导体制造业的现状

大多数材料要么是如金属等良好的导电体，要么是如玻璃等绝缘体。半导体的导电性介于导体和绝缘体之间，并通过在晶体结构中引入杂质进行调节，这个过程称为掺杂。掺入电子供体元素后，N 型半导体就会产生负电荷。相反，用电子受体元素掺杂后，对 P 型半导体来说会产生带正电空穴。单一晶体内两个相邻但掺杂不同的区域形成一个半导体 P-N 结。晶体管可以采用 NPN 或 PNP 结构。

硅是迄今为止最常见的半导体材料。常见的 N 型掺杂物是磷和砷，常见的 P 型掺杂物是硼和镓。

图 3：Jabil 精密自动化解决方案机器中的六轴机器人执行与自动光罩分拣有关的任务，而不会影响所包含的洁净室环境。（图片来源：Omron Automation Americas）

由最先进的半导体制造技术生产的产品具有 1 nm 至 100 nm 的纳米级特性。一纳米是十亿分之一米，而固体中单个原子之间的距离在 0.1 nm 至 0.4 nm 之间，现代半导体的纳米结构已经接近了材料结构可以达到的极限。制造此类产品时要有极高的精确性，这就要求在洁净室环境中完成工艺，以及防止地震以及由飞机、火车、交通和附近机器造成的振动。

在集成电路制造中，最重要的工艺是晶圆生产、光刻和选择性掺杂——最常见的是离子注入法。许多晶圆厂专门从事晶圆制造或涉及光刻和掺杂的后续芯片制造。Taiwan Semiconductor (TSMC) 同时生产晶圆和芯片；是唯一生产先进的 5 nm 和 3 nm 芯片的工厂。如 Intel 和 Texas Instruments 等一些半导体制造商拥有自己的工厂，但最先进的芯片只依赖台积电来供应。然而，许多无晶圆制造商（包括苹果、ARM 和 Nvidia）则完全依赖 TSMC 的半导体制造。

图 4：GlobalFoundries 最近开始投资 10 亿美元，使其在纽约州的现有工厂每年可多生产 15 万块晶圆。这一新产能旨在满足汽车、5G 和物联网应用对功能丰富的芯片的需求。该工厂还将满足针对安全供应链的国家安全要求。（图片来源：GlobalFoundries）

虽然 AMD 从技术上来讲是无晶圆工厂，但它并不依赖 TSMC，以前也是自己制造芯片。AMD 分拆了其制造业务，并将其命名为 GlobalFoundries；后者在美国、欧洲和新加坡设有工厂。其纽约工厂历来生产 14 nm 芯片；并且即将生产 4 纳米芯片，然后是 3 纳米芯片。

考虑具体的芯片制造工艺

大部分的半导体制造都采用了可扩展高产出工艺，可以在一个步骤中实现数百万个单独特性（甚至是纳米级特征）。考虑一些具体情况。

硅片制造：将多晶硅块置于部分排空的氩气环境中熔化，然后使用籽晶拉出单晶硅锭——当工艺开始和停止时，形成一个具有头部和尾锥的圆柱体。在这个工艺阶段，可以在硅中加入一些均匀的掺杂物。

图 5：此处所示为几个晶体硅锭和可从硅锭上切下的圆形硅片。锥体在拉动后和研磨前仍位于硅锭上。（图片来源：Getty Images）

接下来，硅锭被磨成具有精确直径的块状，并增加了一个缺口以指示晶体方向。然后用线锯将圆硅块切割成晶片；用金刚石研磨工具对晶元进行倒角和研磨处理，然后经过化学蚀刻、热处理、抛光工序以及用超纯水和化学品进行清洗来完善表面处理。晶片在封装前进行平整度和无颗粒清洁度检查。

图 6：即使是看似常见的清洁产品，在指定用于洁净室环境时也会以新的形式出现。（图片来源：ACL Staticide, Inc.）

光刻技术：电子电路的制作方法是，先将金属导体薄膜沉积在半导体基片上，然后用光刻法打印电路图案掩模，最后蚀刻掉剩余的导电层。这些方法最初是为大型印刷电路开发的，但现在用于纳米级 IC 制造。金属翅片以网格模式印刷，5 nm 工艺芯片的翅片间距约为 20 nm。这种特殊工艺的自动化系统通常采用直驱技术以及稳定基座和软件，甚至是空气轴承。

图 7：可以通过电子显微镜以及扫描隧道显微镜研究纳米级结构。此处所示的光掩膜修复设备，可以自动检测缺陷并进行修复验证，以加快产出。原子力显微镜能够以纳米级准确度和埃级精确度检测并修复缺陷和外来颗粒。（图片来源：Park System）

薄膜材料沉积：在该工艺中，使用真空蒸发、溅射沉积或化学气相沉积方法将金属材料沉积在硅晶圆上。

图案化：这实际上是光刻工艺。这种工艺应用掩模，以防金属层在随后的蚀刻步骤中从选定的区域被清除。常见的图案工艺包括光刻、电子束光刻和纳米压印光刻。位于掩 模间隙之间的金属被激光或电子束汽化。

蚀刻：采用化学方法清除材料层。化学湿法蚀刻使用如酸、碱和溶剂等反应性液体，而干法蚀刻使用反应性气体。干法蚀刻包括反应离子蚀刻和导电耦合等离子体蚀刻。在这里，自动化设备控制着工艺持续时间和速度——这是保持芯片特性满足误差范围要求的关键。

离子注入法：一旦在硅片上创建了电气连接网格，就必须在结点处通过对硅进行掺杂处理来创建 NPN 或 PNP 结点，从而创建单独的晶体管。该工艺是通过将由掺杂元素组成的离子束引导到至结点上实现的。经过加速的离子束具有极高的速度，能使它们穿透材料并嵌入硅片的晶格中。在光刻过程中创建的图案用来精确导引离子植入工艺。

采用自动化技术提高半导体质量

实际上，美国的大部分半导体行业目前都在生产制造设备，而不是制造半导体。这种设备使用了更多的传统机械和电子制造自动化技术。例如：

• 光刻设备由 Applied Materials 和 ASML 制造。
• 化学气相沉积设备是 Lam Research 和 Applied Materials 制造。
• 等离子体蚀刻设备由 Lam Research、Applied Materials 和 Plasma-Therm 制造。
• 离子植入设备由 Axcelis Technologies 和 Varian Semiconductor Equipment Associates 制造。

虽然目前美国大部分的半导体产品都通过进口获得，但所有阶段的制造都在美国境内完成，这包括 Intel、GlobalFoundries、exas Instruments 和其他公司进行晶圆和芯片制造。

用于芯片制造的薄膜材料沉积、平版印刷图案、化学蚀刻和离子注入等工艺在本质上是可以扩展的。通过这些工艺，能够同时创建数百万个单独的结点。因此，制造商正在提高自动化水平，部分原因是为了提高生产力，但现在更多是为了提高质量。

化学、芯片和晶圆处理操作以及使用 KUKA Robotics 等制造商生产的洁净室机器人也都与自动化有关。在减少人为失误造成的损失方面，机器人的作用至关重要。

图 8：第七轴系统上的协作机器人处理硅片（40 µm 厚，直径达 300 mm），因为这些硅片将经过多达 1200 道工序，最终变成芯片。（图片来源：KUKA Robotics）

但在半导体制造中，自动化往往更多的是指处理数据和由此作出决策的自动化。工厂使用自动化算法进行高级过程控制 (APC)，以及统计过程控制 (SPC)。通过对制造过程进行实时控制，以减少这些跟踪工艺变化和由此产生的制造缺陷。此类系统可以采用人工智能和机器学习，来识别大型数据集内跟踪许多工艺参数和质量指标的模式。

Siemens 将 APC 定义为包括各种减少控制变量变化的方法——包括模糊控制、模型预测控制、基于模型的控制、统计模型和神经网络。这种工业 4.0 技术通常是通过集成的生态系统来实现的，如 Siemens 或 Schneider Electric 为半导体行业提供的 EcoStruxure（举两个例子）。过程变量可与机器状态监测相结合，进行预预见性维护，以减少生产机器的日常维护，同时避免停机。

结束语

随着美国为确保其国内生产在具有战略意义的半导体领域保持竞争力而采取行动，最先进的自动化将变得至关重要。用于执行材料处理的洁净室机器人在自动化方面是最明显、最可见的，但真正能够获得竞争优势的是实际制造过程的自动化过程控制。从控制硅晶的生长环境到确保离子注入过程中结点的精确掺杂，纳米级集成电路的高效、无缺陷生产取决于对数千个工艺参数的实时控制。

涉及整合 IIoT 传感器、AI 算法和其他基于模型的先进控制方法的先进过程控制，最终将保证美国半导体行业的竞争力。