ウェーハ製造における高性能材料の応用

現在、世界の人工知能業界は、バリューチェーン全体にわたる大規模な導入と調整された開発という重要な段階に入っています。生成的な AI の大規模モデルの反復開発から、あらゆる分野にわたる産業のインテリジェントな変革に至るまで、AI は、デジタル経済と実体経済の深い統合を推進する新しい形の生産力となっています。この技術革命において、AI チップはコンピューティング パワーのコア キャリアとして機能し、そのサプライ チェーンの完全性と洗練性が業界の発展の上限を大きく決定します。半導体製造の根幹であるチップの精密製造プロセスには、高性能新素材が欠かせない役割を果たしています。

I. AI チップとは何ですか?

AI チップは、AI 操作を処理するために設計された計算ユニットです。従来の汎用 CPU とは異なり、その主な利点は、強力な並列計算能力、効率的な行列演算、および低消費電力にあります。これらは、機械学習、深層学習、データ推論、画像認識などの重要な AI タスクを効率的に実行できます。 AI チップは、コンピューティング能力を提供し、AI 機能を実現するための主要なハードウェア プラットフォームとして、AI 業界内の競争における重要な要素です。

II. AI産業チェーンの構造

AI 産業チェーンは、テクノロジーの研究開発、製造、アプリケーション シナリオにわたる包括的なエコシステムです。これは、上流の基礎層、中流の製造層、下流のアプリケーション層の 3 つの主要なセグメントに大別されます。

(1) 上流：基盤サポート

上流の基礎層は AI 業界の基盤として機能し、技術の研究開発と主要な原材料を提供します。それは大まかに 2 つのセグメントに分けることができます。1 つはリソグラフィー マシン、シリコン ウェーハ、高性能コンピューティング サーバーを含むハードウェア インフラストラクチャです。 2 番目は、データ収集やフィルタリングなどのデータ サービスで、後続の大規模モデルの「燃料」として機能します。

(2) 中流：技術と製造

中流の製造層は AI 産業チェーンの生産ハブであり、上流部門と下流部門の間の重要なリンクとして機能します。これは、アルゴリズムとモデル、チップの設計と製造の 2 つの主要なセグメントに分けることができます。

1. アルゴリズムとモデル

この分野は、視覚アルゴリズム、音声処理アルゴリズム、機械学習方法など、幅広いトピックをカバーしています。目標は、AI にデータ処理のための方法論的フレームワークを提供することです。一方、モデルは、アルゴリズムが特定のデータセットから学習したときに得られる特定の結果です。現在の大きな傾向は、複雑なタスクを自律的に完了できるように、計画、記憶、ツールの使用能力をモデルに与える大規模モデルに焦点を当てることです。

2. チップの設計と製造

設計の目的は、チップがアーキテクチャ定義、ハードウェア実装、ソフトウェア調整の 3 つの主要領域を効果的に統合し、同時にパフォーマンス、消費電力、コストの最適なバランスを達成することです。

製造はさらに、ウェーハ製造とパッケージングおよびテストの 2 つの段階に分けることができます。

(1) ウェーハ製造：高純度シリコンウェーハを、フォトリソグラフィー、エッチング、薄膜堆積、イオン注入、洗浄、研磨などの数十のナノスケールの精密プロセスを経て、完全な回路構造を備えたベアウェーハに変えるプロセスです。 AI チップには非常に高い製造基準が要求されます。主流のハイエンド製品は 7 nm 以下の高度なプロセスを使用していますが、次世代製品は 3 nm、2 nm に向けて徐々に進歩しています。これにより、生産環境、プロセス精度、および材料の適合性に対して厳しい要件が課されます。生産施設は、微細な塵や不純物によるウェーハの汚染を防ぐために、クラス 10 ～ クラス 100 のクリーンルーム基準を満たさなければなりません。回路の欠陥を防ぐために、プロセス許容誤差を原子レベルで制御する必要があります。同時に、製造プロセスには高温、高圧、腐食性の高い条件が含まれており、補助担体、保護材、製造設備の耐候性と清浄度に対して非常に高い要求が課されます。

(2) パッケージングとテスト: パッケージング プロセスには主に、ウェーハのダイシング、薄化、ボンディング、モールディング、リードはんだ付けが含まれ、ベア チップに保護ケースを提供し、物理的保護、回路接続、効率的な放熱という 3 つの重要な機能を実現します。テスト段階は、ウェハ製造後からパッケージング後までのプロセス全体に及び、ウェハ プローブ テスト、チップ性能テスト、信頼性テスト、消費電力テストが含まれます。専門的な機器を使用して不適合製品を選別し、品質基準を満たしたチップが確実に出荷されます。 AI チップのテスト プロセスはより複雑で、より高い精度が要求されます。テスト治具とキャリアコンポーネントの耐摩耗性、絶縁特性、精度は、テストの効率と結果の精度に直接影響します。

3.ダウンストリーム: アプリケーションのデプロイメント

下流のアプリケーション層は、AI 業界の「価値の出口」として機能し、インテリジェント コンピューティング センター、産業インテリジェンス、自動運転、スマート シティ、スマート ヘルスケア、フィンテックなどのあらゆるシナリオを網羅します。 AI チップを統合することで、さまざまな業界のインテリジェントな変革を推進します。クラウドでの大規模モデルのトレーニングからエッジ デバイスでの推論に至るまで、コンピューティング パワーの需要は飛躍的に増大しており、中流のウェーハ製造、パッケージング、テスト分野での能力拡大と技術アップグレードがさらに推進されています。

Ⅲ． AIチップ製造におけるプラスチックおよびカーボンファイバー製品の応用

ウェハ製造およびパッケージング/テストにおける極めて過酷な操作条件では、高温耐性、高絶縁、耐食性、低変形、高純度、不純物の浸出なし、寸法安定性などの重要な基準を満たす支持補助材料が必要です。従来の材料では、これらの要求を満たせないことがよくあります。 Taisheng は、これらの生産基準に適した高性能プラスチックおよび炭素繊維製品を提供しています。

1. プラスチック製品

(1) クリーンルーム: 単結晶シリコンの製造から集積回路の製造、パッケージングに至るまで、すべての作業はクリーンな環境で行われます。クリーンルームパネルには難燃性の素材や静電気が発生しにくい素材が使用されるのが一般的ですが、窓材も透明である必要があります。適切な材料には以下が含まれます: 帯電防止 PVC/PP。

(2) CMP リテーニング リング: 化学機械研磨 (CMP) は、ウェーハ製造における重要なプロセスです。シリコンウェーハを固定するために使用される CMP リテーニング リングは、ウェーハへの損傷を防ぐために優れた耐摩耗性と耐腐食性を発揮する必要がある特に重要なコンポーネントです。適切な材料には、PPS、PEEK などが含まれます。

(3) ウェーハ キャリア: 一般的なウェーハ キャリアには、ウェーハ ボートと輸送ボックスが含まれます。ウェーハの輸送および保管中の環境の安定性は、ウェーハの品質に大きな影響を与えます。したがって、ウェーハキャリアは、耐熱性、帯電防止特性、低ガス放出などの特性を備えていなければなりません。適切な材料には、PP、PEEK、PC、PEI などが含まれます。

(4) ベアリングやガイドレールなどの部品: ベアリングやガイドレールなどの半導体処理装置の部品は、低温から高温までの広い温度範囲で連続運転でき、低摩耗、低摩擦で、寸法安定性を維持できる必要があります。一般的に使用される材料には、ポリイミド (PI) などが含まれます。

2. カーボンファイバー

ウェーハの製造プロセス中、ウェーハは異なるワークステーション間で搬送される必要があるため、ウェーハ フォークの使用が必要になります。カーボンファイバーはこれらのフォークにとって優れた材料の選択肢です。カーボンファイバーに含浸・プレス加工を施し、より安定した性能を発揮します。最大6,000MPaの引張強度、780GPaを超える材料係数、4秒以内に制御可能な振動減衰、優れた耐候性を備えています。

人工知能業界の高品質な発展は、産業チェーン全体にわたる調整された取り組みに依存しており、中流のウェーハ製造、パッケージングおよびテストのセグメントは、業界の大規模実装の重要な分野の 1 つです。 HONY PLASTIC は、高性能プラスチックとカーボンファイバー製品に重点を置き、進化するニーズを満たす適切なコンポーネントを半導体業界に提供しています。

ウェーハ生産サイクルにおけるプラスチックの 5 つの主要な用途

半導体について議論するとき、さまざまなコンピューターチップを製造するための基盤であるウエハーの話題が必ず出てきます。半導体技術がより細い線幅、より高い集積度、より複雑な構造に向けて進歩し続けるにつれて、プロセスの「基礎」であるウェーハに対する品質要件は常に増加しています。このような背景から、優れた包装能力と輸送能力を備えたプラスチック材料は、さまざまなプロセスステップを接続し、汚染や機械的損傷を軽減し、清浄度を向上させ、全体の歩留まりを高めるために不可欠なものとなっています。半導体製造におけるプラスチックの一般的な用途をいくつか見てみましょう。

1. CMP リテーニング リング

化学機械研磨 (CMP) は、ウェーハ表面の全体的な平坦化を達成するために使用されるウェーハ製造における重要なプロセスです。このプロセス中、均一な研磨を確保し、ずれを防ぐためにシリコン ウェーハをリテーナ リングでしっかりと保持する必要があり、これによりウェーハ表面の傷や汚染を回避できます。したがって、このコンポーネントに選択される材料は、耐摩耗性、高い寸法安定性、良好な耐薬品性、および機械加工性を備えていなければなりません。

以前は、クランプ リングの製造にはポリフェニレン サルファイド (PPS) が一般的に使用されていました。ただし、ポリエーテルエーテルケトン (PEEK) と塩素化ポリ塩化ビニル (CPVC) は、機械的強度が高く、寸法安定性が高く、耐薬品性と耐摩耗性に優れているため、メーカーでの採用が増えています。

2. ウェーハキャリア

ウェーハキャリアは、製造プロセス中にウェーハを保持、保管、輸送するために使用されます。一般的なタイプには、フロントオープン ウェーハ キャリア (FOUP)、ウェーハ輸送ボックス (FOSB)、ウェーハ ボートなどがあります。ストレージはウェーハ生産サイクルの重要な部分を占めます。したがって、キャリアの清浄度と帯電防止特性が完成したウェーハの品質に直接影響するため、材料の選択は重要です。

ウェーハキャリアの材料は、高温耐性、高い機械的強度、低吸湿性、帯電防止特性、低アウトガス、低浸出などの要件を満たさなければなりません。ポリエーテルエーテルケトン (PEEK)、パーフルオロアルコキシ樹脂 (PFA)、ポリプロピレン (PP)、ポリエーテルスルホン (PES)、ポリカーボネート (PC)、およびポリエーテルイミド (PEI) はすべて、これらの要件を満たす一般的な材料です。

3. フォトマスクカセット

フォトマスクは、フォトリソグラフィープロセスにおけるパターンマスターとして機能し、通常は光を遮断するクロムメッキパターンを備えた石英ガラス基板で構成されます。表面に粒子や傷があると、フォトリソグラフィー パターンに欠陥が生じる可能性があります。フォトマスクからフォトレジストが塗布されたウエハー上に回路パターンを正確に転写するには、フォトマスクの清浄度を維持することが重要です。

フォトマスク用箱は保管・輸送用の容器として、帯電防止性、低アウトガス性、高剛性、耐摩耗性などの性能が求められます。ポリエーテルエーテルケトン (PEEK) は、高硬度、低発塵、高清浄度、帯電防止特性により、フォトマスクボックスに最適です。保管や輸送時の曇り、摩擦、振動によるフォトマスクの損傷を効果的に防止し、アウトガスやイオン汚染が少ないクリーンな環境を提供します。帯電防止ポリカーボネート（PC）も使用されますが、総合的な性能はPEEKより若干劣ります。

4. ウェーハハンドリングツール

ウェーハやシリコンウェーハの製造工程では、ウェーハを掴んだり移動したりするためにウェーハホルダーやチャックなどの工具が使用されます。これらのツールはウェーハ表面と直接接触するため、デバイスの性能や歩留まりに悪影響を与える可能性がある傷や残留物の形成を防ぐことが不可欠です。

ポリエーテルエーテルケトン (PEEK)、パーフルオロアルコキシ樹脂 (PFA)、およびポリプロピレン (PP) は、高い耐熱性、優れた耐摩耗性、優れた寸法安定性、低いガス放出率、および極めて低い吸湿性により、ウェーハ ハンドリング ツールの製造に広く使用されています。これらの材料は表面の摩擦と粒子残留物を最小限に抑え、ウェーハ表面の清浄度と完全性を大幅に向上させます。

5. ICパッケージングテストソケット

テストソケットはチップをテスト機器に接続し、集積回路の機能を検証するために使用されます。集積回路の種類が異なると、対応する仕様のテスト ソケットが必要になります。材料の要件には、高い寸法安定性、優れた機械的強度、少ないバリの発生、長い耐用年数、広い温度許容範囲、良好な加工性が含まれます。

この分野では、PEEK、PPS、ポリアミドイミド（PAI）、ポリイミド（PI）、ポリエーテルイミド（PEI）などのエンジニアリングプラスチックが広く使用されています。