Planta de fabricación de semiconductores

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Imagen externa
Fotografía del interior de una sala limpia de una fábrica de 300 mm dirigida por TSMC

En la industria de la microelectrónica , una planta de fabricación de semiconductores (comúnmente llamada fab ; a veces fundición ) es una fábrica para la fabricación de dispositivos semiconductores . ^[1]

Las fábricas requieren muchos dispositivos costosos para funcionar. Se estima que el costo de construir una nueva fábrica supera los mil millones de dólares estadounidenses , y no es raro que se alcancen los 3 o 4 mil millones de dólares. TSMC invirtió 9.300 millones de dólares en su planta de fabricación de obleas Fab15 de 300 mm en Taiwán. ^[2] Las mismas estimaciones de la empresa sugieren que su futura fábrica podría costar 20 mil millones de dólares. ^[3] En la década de 1990 surgió un modelo de fundición : las fundiciones que producían sus propios diseños se conocían como fabricantes de dispositivos integrados (IDM, por sus siglas en inglés). Las empresas que subcontrataban la fabricación de sus diseños a fundiciones se denominaban empresas de semiconductores sin fábrica . Aquellas fundiciones, que no creaban sus propios diseños, se denominaban fundiciones de semiconductores puras . ^[4]

La parte central de una fábrica es la sala limpia , un área donde se controla el ambiente para eliminar todo el polvo, ya que incluso una sola mota puede arruinar un microcircuito, que tiene características a escala nanométrica mucho más pequeñas que las partículas de polvo. La sala limpia también debe amortiguarse contra las vibraciones para permitir la alineación a escala nanométrica de las máquinas y debe mantenerse dentro de bandas estrechas de temperatura y humedad. El control de las vibraciones se puede lograr mediante el uso de pilotes profundos en la base de la sala limpia que anclan la sala limpia al lecho de roca, la selección cuidadosa del sitio de construcción y/o el uso de amortiguadores de vibraciones. Controlar la temperatura y la humedad es fundamental para minimizar la electricidad estática . Las fuentes de descarga de corona también se pueden utilizar para reducir la electricidad estática. A menudo, una fábrica se construirá de la siguiente manera (de arriba a abajo): el techo, que puede contener equipos de manejo de aire que extraen, purifican y enfrían el aire exterior, un plenum de aire para distribuir el aire a varias unidades de filtrado de ventiladores montadas en el piso , que también son parte del techo de la sala limpia, la sala limpia en sí, que puede tener o no más de un piso, ^[5] un plenum de aire de retorno, la subfábrica limpia que puede contener equipos de apoyo para las máquinas en la sala limpia, como sistemas de suministro de productos químicos, purificación, reciclaje y destrucción, y la planta baja, que puede contener equipos eléctricos. Las fábricas también suelen tener algún espacio de oficina.

La sala limpia es donde se lleva a cabo toda la fabricación y contiene la maquinaria para la producción de circuitos integrados, como los motores paso a paso y/o escáneres para fotolitografía , además de las máquinas de grabado , limpieza, dopado y troceado . Todos estos dispositivos son extremadamente precisos y, por lo tanto, extremadamente caros. Los precios de los equipos más comunes para el procesamiento de obleas de 300 mm varían de $700,000 a más de $4,000,000 cada uno, y algunos equipos alcanzan precios de hasta $340,000,000 cada uno (por ejemplo, los escáneres EUV ). Una fábrica típica tendrá varios cientos de equipos.

Normalmente, un avance en la tecnología de fabricación de chips requiere la construcción de una fábrica completamente nueva. En el pasado, el equipo para equipar una fábrica no era muy caro y había una gran cantidad de fábricas más pequeñas que producían chips en pequeñas cantidades. Sin embargo, el costo del equipo más moderno ha aumentado desde entonces hasta el punto en que una nueva fábrica puede costar varios miles de millones de dólares.

Otro efecto secundario del costo ha sido el desafío de hacer uso de fábricas más antiguas. Para muchas empresas, estas fábricas más antiguas son útiles para producir diseños para mercados únicos, como procesadores integrados , memoria flash y microcontroladores . Sin embargo, para las empresas con líneas de productos más limitadas, a menudo es mejor alquilar la fábrica o cerrarla por completo. Esto se debe a la tendencia del costo de actualizar una fábrica existente para producir dispositivos que requieren tecnología más nueva a superar el costo de una fábrica completamente nueva.

Existe una tendencia a producir obleas cada vez más grandes , de modo que cada paso del proceso se realiza en cada vez más chips a la vez. El objetivo es distribuir los costos de producción (productos químicos, tiempo de fabricación) entre una mayor cantidad de chips comercializables. Es imposible (o al menos impracticable) adaptar la maquinaria para manipular obleas más grandes. Esto no quiere decir que las fundiciones que utilizan obleas más pequeñas sean necesariamente obsoletas; las fundiciones más antiguas pueden ser más económicas de operar, tener mayores rendimientos para chips simples y seguir siendo productivas.

La industria tenía como objetivo pasar del tamaño de oblea de última generación de 300 mm (12 pulgadas) a 450 mm para 2018. ^[6] En marzo de 2014, Intel esperaba la implementación de 450 mm para 2020. ^[7] Pero en 2016, los esfuerzos de investigación conjunta correspondientes se detuvieron. ^[8]

Además, existe un gran impulso para automatizar por completo la producción de chips semiconductores de principio a fin, lo que suele denominarse el concepto de " fabricación sin luces ".

La International Sematech Manufacturing Initiative (ISMI), una extensión del consorcio estadounidense SEMATECH , patrocina la iniciativa "300 mm Prime". Un objetivo importante de esta iniciativa es permitir que las fábricas produzcan mayores cantidades de chips más pequeños como respuesta a los ciclos de vida más cortos que se observan en la electrónica de consumo. La lógica es que una fábrica de este tipo puede producir lotes más pequeños con mayor facilidad y puede cambiar de manera eficiente su producción para suministrar chips para una variedad de nuevos dispositivos electrónicos. Otro objetivo importante es reducir el tiempo de espera entre los pasos de procesamiento. ^{[9] [10]}

• Modelo de fundición para los aspectos comerciales de las fundiciones y empresas fabless
• Lista de plantas de fabricación de semiconductores
• Ley de Rock
• Consolidación de semiconductores
• Fabricación de dispositivos semiconductores para el proceso de fabricación de dispositivos.

• Manual de tecnología de fabricación de semiconductores, segunda edición, de Robert Doering y Yoshio Nishi (tapa dura, 9 de julio de 2007)
• Tecnología de fabricación de semiconductores , de Michael Quirk y Julian Serda (libro de bolsillo, 19 de noviembre de 2000)
• Fundamentos de fabricación de semiconductores y control de procesos por Gary S. May y Costas J. Spanos (tapa dura – 22 de mayo de 2006)
• La guía esencial de semiconductores (serie Guía esencial) de Jim Turley (libro de bolsillo, 29 de diciembre de 2002)
• Manual de fabricación de semiconductores (Manuales de McGraw-Hill) de Hwaiyu Geng (tapa dura – 27 de abril de 2005)

Software de fabricación de semiconductores https://www.einnosys.com/fab-automation/

• "Los fabricantes de chips vigilan sus residuos", The Wall Street Journal , 19 de julio de 2007, pág. B3