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Mejorar el Rendimiento de los Semiconductores con Aleaciones Optimizadas

Mejorar el Rendimiento de la Fabricación de Semiconductores con Materiales Optimizados

29 de septiembre de 2020 | Masroor Malik, Director del Mercado del Semiconductor, Swagelok, y Shelly Tang, Directora de Ingeniería Metalúrgica, Swagelok

La innovación rápida es una necesidad en el muy competitivo panorama de los semiconductores. Gran parte del mundo moderno depende del desarrollo de chips cada vez más potentes, que utilizan transistores cada vez más pequeños para generar altos niveles de potencia de procesamiento. La ley de Moore, que establece que el número de transistores en un chip determinado se duplica cada dos años, se ha mantenido vigente desde los años setenta y sigue influyendo en el desarrollo de los transistores en la actualidad.

Los fabricantes deben, por supuesto, equilibrar estas demandas de innovación con su propia capacidad de maximizar tanto la producción como la rentabilidad. ¿Cómo hacerlo? Un informe reciente de McKinsey & Company1 sugiere que varias estrategias comunes—reducir los costes laborales, reducir el consumo de materiales y reducir el gasto en compras a nivel mundial—han demostrado su eficacia a corto plazo, pero no han producido mejoras en la rentabilidad a largo plazo.

En cambio, el informe sugiere que los fabricantes de semiconductores pueden gestionar más eficazmente los costes y mantener una mayor rentabilidad mejorando el rendimiento de principio a fin. "La optimización del rendimiento ha sido considerada durante mucho tiempo como uno de los objetivos más críticos, aunque difíciles de alcanzar, por lo que constituye una ventaja competitiva en las operaciones de los semiconductores", según McKinsey.

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El rendimiento de principio a fin puede mejorarse de diversas maneras, pero hay un potencial significativo en un área a veces olvidada del proceso de fabricación de semiconductores: los sistemas de fluidos y componentes críticos que transportan los gases halógenos reactivos desde el almacenamiento hasta la cámara de deposición. A medida que las condiciones del proceso se vuelven más exigentes, y que los gases reactivos se vuelven más ligeros y agresivos, estos sistemas deben ofrecer el más alto nivel de rendimiento, y gran parte de ello depende de los materiales de los que están hechos.

En el entorno actual de producción de chips de semiconductores, los aceros inoxidables de menor calidad a menudo no proporcionan los niveles de rendimiento necesarios. He aquí cómo los componentes de sistemas de fluidos fabricados con materiales de mayor calidad pueden contribuir a un mayor rendimiento de principio a fin, y qué es lo que los fabricantes de semiconductores deben tener en cuenta al especificar los aceros inoxidables.

El impacto de los sistemas de fluidos en el potencial de rendimiento.

El impacto de los sistemas de fluidos y gases en el rendimiento se ve afectado principalmente por dos factores clave: la contaminación y la corrosión.

En primer lugar, a medida que los transistores de proceso se van reduciendo, la resistencia a la contaminación es un atributo de rendimiento cada vez más importante para los entornos de producción de pureza ultra alta. Hasta las partículas extrañas microscópicas más pequeñas pueden causar un gran problema. Los componentes adecuados de los sistemas de fluidos pueden ayudar a limitar la entrada de contaminantes en el proceso de fabricación de chips, contribuyendo así a aumentar los volúmenes de chips viables durante una serie de producción.

En segundo lugar, a medida que los procesos de producción de semiconductores utilizan cada vez más gases de proceso más agresivos que pueden requerir temperaturas de funcionamiento cada vez más altas, aumenta el potencial de corrosión. Cualquier parada que resulte de la necesidad de reemplazar una válvula, racor o tubo corroído en estos sistemas puede detener la producción y reducir drásticamente el rendimiento general. Una mayor resistencia a la corrosión puede ayudar a los fabricantes a evitar este tipo de paradas. La seguridad también es una consideración importante aquí, ya que un componente del sistema que no funcione correctamente puede dar lugar a una fuga potencialmente peligrosa.

Conseguir un mayor rendimiento mediante la selección estratégica de materiales.

Una formulación de acero inoxidable con un buen equilibrio de aleaciones de alto rendimiento y contenido residual es fundamental para los entornos de producción de semiconductores.

Por ejemplo, los elevados niveles de cromo, níquel y molibdeno en las formulaciones de acero inoxidable, aumentan tanto la resistencia del material como su capacidad para soportar la corrosión resultante del contacto con los fluidos agresivos del sistema. Cierto contenido residual debe permanecer en la fórmula; por ejemplo, se necesita un equilibrio específico de azufre para asegurar el óptimo acabado superficial y soldabilidad de los componentes de uso final. Se trata de una combinación compleja de atributos de rendimiento a equilibrar, y exige un fabricante con altos niveles de experiencia y conocimientos en metalurgia y ciencias de los materiales.

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Sin embargo, en la fabricación de semiconductores, la limpieza y la pureza son de importancia crítica. La limpieza puede mejorarse utilizando materiales de alta pureza con un mínimo de impurezas en el acero inoxidable, mediante procesos como la descarburización del oxígeno del argón (AOD, del inglés Argon Oxigen Decarburization), la fusión por inducción al vacío (VIM, del inglés Vacuum Induction Melting) y el refundido por arco de vacío (VAR, del inglés Vacuum Arc Re-Melt). El fabricante también debe implementar un estricto control de calidad y métodos de prueba—medidas como la prueba ultrasónica, la prueba de corrientes de Foucault y otros métodos pueden detectar hasta las más pequeñas imperfecciones internas o externas que pueden comprometer la pureza. Los procesos posteriores al mecanizado, como el electropulido y la pasivación de ciertos materiales, pueden mejorar aún más la limpieza de los componentes.

Para reducir la contaminación, mejorar la resistencia a la corrosión y contribuir a un mayor rendimiento de la producción de principio a fin, los fabricantes de semiconductores deben buscar proveedores de componentes para sistemas de fluidos de probada eficacia, que comprendan las necesidades únicas de sus aplicaciones críticas y ofrezcan soluciones óptimas de funcionalidad y construcción de materiales.

Un proveedor ideal debería ser capaz de...

  • Entender a la perfección los desafíos de las ciencias de los materiales y de la fabricación de semiconductores
  • Obtener la más alta calidad de acero inoxidable de proveedores probados
  • Mantener la química de los materiales y las normas de procesado estrictamente especificadas
  • Probar rigurosamente y a fondo todos los materiales de acero inoxidable
  • Mantener un control estricto de los materiales durante todo el proceso de fabricación
  • Controlar todos los materiales de acero inoxidable desde la materia prima hasta el envío con un 100% de trazabilidad.

Encontrar un proveedor que demuestre cada uno de estos atributos merece el esfuerzo de los fabricantes de semiconductores que quieren alcanzar el máximo rendimiento en este sector altamente competitivo. Encontrar un proveedor que ofrezca productos de alto rendimiento que minimicen la contaminación y la corrosión mediante la elección de los materiales adecuados y el diseño del producto, tiene un importante potencial de retorno de la inversión.

¿Le interesa saber cómo los sistemas de fluidos optimizados pueden ayudarle a conseguir una mayor rentabilidad a largo plazo? Swagelok tiene décadas de experiencia en el suministro de componentes de alto rendimiento para la industria del semiconductor. Contacte con nuestro equipo y vea cómo puede beneficiarse hoy.

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1El siguiente paso en la mejora del rendimiento de los semiconductores,” McKinsey & Company, 2 de mayo de 2018.

Masroor Malik es el Director del Mercado del Semiconductor de The Swagelok Company. En sus veintidós años en la compañía, tiene una gran experiencia técnica ayudando a los clientes en todo el mercado del semiconductor. Está licenciado por la Universidad de Nebraska-Lincoln y por la Escuela de Administración Weatherhead de la Universidad Case Western Reserve.

Shelly Tang es la Directora de Ingeniería Metalúrgica de The Swagelok Company. En los casi 20 años que lleva desempeñando este papel, Shelly tiene una experiencia considerable en ciencias de los materiales en una variedad de aplicaciones críticas de sistemas de fluidos. Tiene un doctorado en Ciencias de los Materiales e Ingeniería de la Universidad de Penn State.

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