Produzione di semiconduttori

Un semiconduttore è un materiale la cui conduttività elettrica è compresa tra quella di un conduttore (ad esempio il rame) e quella di un isolatore (ad esempio il vetro). I materiali semiconduttori tipici sono il silicio o il germanio. La conduttività può essere modificata in modo specifico tramite drogaggio (aggiunta di atomi estranei) e influenze esterne come la temperatura o la luce. Ciò rende i semiconduttori ideali per componenti elettronici quali transistor, diodi e circuiti integrati. L'industria dei semiconduttori è in forte crescita, trainata dai data warehouse, dall'intelligenza artificiale e dalla miniaturizzazione. La tendenza è quella di utilizzare semiconduttori sempre più potenti ma più piccoli. Gli esperti definiscono questo sviluppo la "corsa ai nanometri". Le tecnologie laser e al plasma di TRUMPF sono essenziali per processi quali la litografia EUV, il rivestimento, l'esposizione e l'incisione. Senza queste tecnologie, la produzione di chip di ultima generazione non sarebbe possibile.

Un transistor è un componente elettronico che funge da interruttore o amplificatore per segnali elettrici. È il cuore della microelettronica moderna e costituisce la base dei processori, dei chip di memoria e di quasi tutti i dispositivi digitali. Un maggior numero di transistor in un chip equivale a una maggiore potenza di calcolo.

Un semiconduttore in genere passa attraverso diverse centinaia, a volte più di mille, fasi di produzione. Ci vogliono mesi per produrlo. In modo molto semplificato, il processo di produzione dei semiconduttori può essere descritto in dieci fasi:

1. Il processo di produzione inizia con un wafer, ricavato da silicio di elevata purezza e tagliato in fette sottili.

2. Il wafer viene lucidato per creare una superficie assolutamente liscia per i processi successivi.

3. Nella litografia viene applicato uno strato fotosensibile (fotoresist), che in seguito determina la struttura dei circuiti.

4. Per proiettare minuscoli modelli sul wafer vengono utilizzati metodi di esposizione estremamente precisi, come la litografia EUV.

5. Le aree esposte vengono quindi sviluppate chimicamente in modo che le strutture desiderate diventino visibili.

6. Attraverso processi di incisione (ad esempio incisione al plasma), vengono rimossi strati di materiale per formare le piste conduttive e i transistor.

7. Seguono processi di drogaggio in cui vengono introdotti atomi estranei per modificare le proprietà elettriche del silicio.

8. Per creare connessioni complesse tra i transistor vengono applicati diversi strati di metalli e isolatori.

9. Dopo centinaia di passaggi di questo tipo, il wafer viene testato e tagliato in singoli chip (die): questo processo è chiamato taglio dei wafer.

10. Infine, i chip vengono confezionati (packaging), testati e approvati per l'uso in dispositivi come smartphone, computer o automobili.

1. Tecnologia dell'informazione e della comunicazione
I semiconduttori controllano i processi di calcolo in computer, server e smartphone. Sono indispensabili per la comunicazione digitale, il cloud computing e l'Internet delle cose (IoT).

2. Intelligenza artificiale e centri di calcolo
I chip ad alte prestazioni consentono l'elaborazione di enormi quantità di dati per applicazioni di intelligenza artificiale e analisi di big data.

3. Industria automobilistica
I semiconduttori sono essenziali nei veicoli per i sistemi di assistenza alla guida, la mobilità elettrica, l'infotainment e la guida autonoma.

4. Tecnica medicale
Consentono di ottenere immagini precise, sistemi diagnostici e persino dispositivi impiantabili.

5. Industria e automazione
I semiconduttori alimentano sensori, controlli e robotica nella produzione industriale.

Le applicazioni di intelligenza artificiale richiedono un'enorme potenza di calcolo. Quanto più potenti sono i chip, tanto più velocemente ed efficacemente possono essere addestrati e implementati i modelli di intelligenza artificiale. I progressi nella tecnologia dei semiconduttori stanno quindi determinando in modo significativo lo sviluppo dell'intelligenza artificiale. TRUMPF utilizza tecnologie come EUV per produrre i chip più potenti.

I chip AI sono processori appositamente progettati che eseguono algoritmi complessi per l'apprendimento automatico e l'intelligenza artificiale direttamente sul chip. Si differenziano dai processori classici per la loro capacità di elaborare grandi quantità di dati in parallelo.

I chip AI vengono creati mediante un processo di produzione estremamente complesso che combina le classiche tecnologie dei semiconduttori con metodi di packaging innovativi. Inizialmente, i veri e propri core di elaborazione, solitamente a base di silicio, vengono realizzati in strutture nanometriche.

Per poter elaborare enormi quantità di dati in tempo reale, i chip devono essere estremamente potenti ed efficienti dal punto di vista energetico. Per questo motivo i produttori si affidano sempre più a soluzioni di Advanced Packaging. In questo processo, diversi chip vengono combinati sui cosiddetti interposer, che fungono da strato di collegamento.

Sebbene gli interposer in silicio siano da tempo lo standard, stanno raggiungendo i loro limiti in termini di dimensioni e costi. La soluzione: interposer in vetro. Il vetro è più economico, può essere trasformato in pannelli di grandi dimensioni consentendo la realizzazione di complessi pacchetti di chip per sistemi di intelligenza artificiale. Per creare le connessioni elettriche tra gli strati, è necessario praticare nel vetro milioni di minuscoli fori, noti come Through Glass Vias (TGV). Anche in questo caso viene utilizzata la tecnologia laser di TRUMPF.

La legge di Moore afferma che il numero di transistor su un microchip raddoppia circa ogni due anni, mentre il costo per operazione di calcolo diminuisce. Ciò consente di aumentare costantemente le prestazioni dei chip senza aumentarne le dimensioni. Per proseguire la miniaturizzazione, si stanno utilizzando tecnologie come la litografia EUV e nuove architetture di chip (ad esempio strutture 3D). La legge fu formulata nel 1965 da Gordon Moore, co-fondatore di Intel. Non si tratta di una legge naturale, ma di un'osservazione che riflette la velocità dell'innovazione nel settore.

1. Miniaturizzazione e precisione
L'industria è sottoposta a un'enorme pressione per produrre strutture sempre più piccole, nell'ordine dei nanometri. La litografia EUV e i generatori di plasma devono operare con estrema precisione per creare strutture 3D su wafer di silicio. Anche le più piccole deviazioni comportano scarti e costi elevati. Il controllo qualità (metrologia) sta diventando sempre più complesso, poiché le tolleranze sono nell'ordine dei nanometri.

2. Consumo energetico e sostenibilità
L'efficienza energetica è fondamentale per ridurre i costi operativi e raggiungere gli obiettivi di sostenibilità. I generatori di plasma e i sistemi laser devono quindi funzionare nel modo più efficiente possibile dal punto di vista energetico.

3. Catene di fornitura e controllo della qualità
L'intera catena di fornitura deve garantire una qualità senza difetti. Punti deboli dei fornitori possono compromettere la produzione. TRUMPF esige dai suoi partner e fornitori standard qualitativi rigorosi.

4. Disponibilità di impianti di produzione
La produzione di semiconduttori è fortemente concentrata in Asia. I fornitori delle apparecchiature devono garantire ai produttori dei chip di tutto il mondo la massima qualità del servizio per evitare tempi di inattività. Per questo motivo TRUMPF sta investendo in centri di assistenza e centri tecnologici regionali, ad esempio a Taiwan.

La litografia è un processo fondamentale nella produzione di semiconduttori, in cui le strutture dei circuiti elettronici vengono trasferite su wafer di silicio. In questo processo, uno speciale dispositivo di rivestimento applica uno strato fotosensibile (fotoresist) sul wafer. Poi, il sistema litografico espone i modelli desiderati alla luce e li sviluppa chimicamente. Queste strutture costituiscono la base per i transistor e gli altri componenti sul chip. La tecnologia più avanzata in questo campo è la litografia EUV. Utilizza una luce a lunghezza d'onda estremamente corta per creare strutture di dimensioni nanometriche. I microchip più potenti non possono essere realizzati senza la litografia EUV. È fondamentale per l'attuazione della legge di Moore, che prevede un raddoppio del numero di transistor ogni due anni.

Il wafer è il punto di partenza per la produzione dei microchip. È costituito da silicio di elevata purezza, che viene inizialmente trasformato in un monocristallo e successivamente tagliato in sottili fette. Questi dischi vengono lucidati per creare una superficie assolutamente liscia. Le strutture dei circuiti vengono realizzate sul wafer mediante litografia, esposizione, processi di incisione e drogaggio. Dopo centinaia di processi, il wafer viene testato e tagliato in singoli chip ("die").

Il taglio dei wafer è il processo di separazione dei chip semiconduttori da un wafer. Rappresenta un passaggio fondamentale nel back-end della catena di processo dei semiconduttori.

Taglio meccanico, taglio stealth, taglio laser ablativo e taglio al plasma.

L'incisione al plasma è un processo in cui il materiale della superficie del wafer viene rimosso o strutturato utilizzando gas ionizzato (plasma). Questo processo è essenziale per ottenere una struttura precisa del chip.

Un dispositivo che fornisce energia elettrica ad alta frequenza per generare e controllare il plasma per la produzione di chip.

I Through Glass Vias (TGV) sono minuscoli fori passanti conduttivi nel vetro che consentono connessioni elettriche tra diversi strati di un package di chip. Sono fondamentali per le applicazioni ad alte prestazioni, perché accorciano i percorsi del segnale e riducono al minimo le perdite di energia.

La produzione di semiconduttori richiede molta energia. Le aziende produttrici di semiconduttori possono ridurre significativamente la loro impronta di CO₂ affidandosi a tecnologie ad elevata efficienza energetica e all'economia circolare; in questo la tecnologia TRUMPF gioca un ruolo chiave. La sostenibilità fa parte del DNA di TRUMPF, un'azienda a conduzione familiare. Per questo motivo, con tecnologie all'avanguardia come la litografia EUV, diamo la massima importanza all'uso efficiente e parsimonioso di energia e materiali.