Kumamoto Tec è la fabbrica dove Sony produce i suoi sensori Exmor, Exmor R ed Exmor RS. Ho potuto osservare da vicino gli impianti dove si realizzano i sensori che producono le immagini di gran parte delle fotocamere e degli smartphone dei marchi più diversi.
Siamo entrati alla Sony Kumamoto TEC. Se state pensando di leggere un articolo che possa svelarvi alcuni segreti dell’azienda.. beh, vi state sbagliando. I suoi segreti Sony se li tiene giustamente molto stretti. Comunque in una settimana abbiamo potuto vedere con i nostri occhi non solo come si sviluppa la catena produttiva, ma anche le diverse fasi della produzione. Se quindi la nostra curiosità giornalistica non è stata propriamente soddisfatta, abbiamo però potuto raccogliere molte informazioni utili per la realizzazione di futuri articoli.
Questa fabbrica è adibita alla produzione di sensori Exmor, Exmor R ed Exmor RS. E’ da qui che escono i sensori che costituiscono il cuore di fotocamere, videocamere e smartphone. Ma andiamo con ordine e facciamo un po’ di storia. Fino all’anno 2000 Sony Kumamoto Tec ha prodotto solo sensori CCD, quelli che andavano per la maggiore sui dispositivi dell’epoca. I primi CCD, a partire dal 1980, erano montati sugli impianti di videosorveglianza e successivamente sulle prime Handycam. Nel 2000 alla produzione dei CCD si è affiancata quella dei sensori CMOS, una produzione destinata non solo ai dispositivi della casa madre, ma anche di tante aziende concorrenti. Abbiamo provato a chiedere in quale percentuale, ma il management si è trincerato dietro ad un “no comment”. A rigor di logica però non siamo di fronte a numeri piccoli: quando avvenne il disastroso terremoto, del quale parleremo a breve, e si bloccò la produzione molte aziende come Nikon e Panasonic ne subirono pesantemente le conseguenze, tanto da dover cambiare strategie di lancio dei propri prodotti. Per avere un’idea della capacità produttiva, da questa fabbrica sono usciti ben 7 miliardi di sensori!
Dal 2000 c’è stata un’escalation nella fabbricazione e nell’evoluzione delle tecnologie, passando attraverso vari tipi di sensori, compresi i CMOS retro-illuminati. La ragione principale dell’esplosione della domanda di sensori è nella crescente diffusione degli smartphone; dal 2007, anno zero del boom degli smartphone “fotografici”, la richiesta è talmente cresciuta da far salire vertiginosamente non solo la produzione, ma anche gli investimenti in nuove tecnologie per il settore mobile; in parallelo è proseguito lo sviluppo dei sensori per le fotocamere fino ad arrivare agli ultimi sensori per Full Frame. Come abbiamo visto Sony è il principale realizzatore di sensori d’immagine ed è probabile che il sensore che equipaggia la vostra macchina sia stato prodotto proprio nella fabbrica di Kumamoto.
La Sony Kumamoto Tec si trova a Kumamoto, sull’isola di Kyushu, capoluogo dell’omonima Prefettura. Dato che la lavorazione dei wafer di silicio, e della produzione di sensori in generale, richiede una smodata quantità di acqua, la posizione è stata scelta proprio per la facilità di accesso a questa risorsa: Kumamoto Tec utilizza infatti circa l’80% dell’acqua pulita prodotta dalla regione. Nonostante la zona non fosse mai stata epicentro di disastri naturali, nel 2016 è stata distrutta da due grandi terremoti, il primo di magnitudo 6.2, il secondo di magnitudo 7.0. Alla prima scossa la fabbrica fu evacuata. Ordinatamente, siamo in Giappone. Nonostante questo disastro, l’azienda riuscì a riprendere la produzione in pochi mesi: nell’arco dell’ultimo anno poi, la situazione si è stabilizzata fino a giungere alla normalità.
Chiaramente a noi interessa sapere di più sulla produzione dei sensori. Come detto alla Sony Kumamoto Tec se ne producono di tre tipi e di vari formati: Exmor, Exmor R ed Exmor RS. Come si vede dalla ripresa dall’alto, la fabbrica è costituita da due enormi edifici collegati tra di loro: all’interno tutto ruota attorno linee automatizzate lunghe circa 23 Km e quasi non si avverte la presenza umana nonostante vi lavorino all’incirca 2.000 persone. Gli ambienti sono a prova di polvere, ovvero Classe 1000: hanno quindi una tolleranza fino a 1000 particelle da 0.5 micron per piede quadrato (1 piede corrisponde a 30,48cm). Per capire cosa significhi, sappiate che l’aria che si respira lì dentro è circa 35.000 volte più pulita di quella cittadina.. logico quindi che queste zone della fabbrica siano precluse alla presenza umana (anche alla nostra). All’interno di ogni singolo macchinario la tolleranza si abbassa ma sono sempre vincoli strettissimi: camere stagne Classe1, ovvero tolleranza di 1 particella da 0.5 micron per piede quadrato. Per mantenere pulita l’area automatizzata i due piani adiacenti, uno sopra e l’altro sotto, sono completamente vuoti e destinati al ricircolo e al filtraggio dell’aria: l’aria passa poi attraverso dei fori sul pavimento per eliminare le microparticelle di polvere o sporco. Si capiscono quindi i limiti posti alla nostra indagine; abbiamo potuto osservare gli ambienti solo attraverso un vetro e ci sono stati mostrati alcuni filmati. Non abbiamo potuto neanche scattare fotografie, per rispettare i segreti della produzione; anche il minimo dettaglio che a noi potrebbe sembrare irrilevante, ad un occhio attento (quello della concorrenza) potrebbe rivelare qualche segreto professionale. Vediamo quindi alcune fasi della lavorazione: il Pre Process che riguarda la pulizia e il procedimento fotolitografico dei wafer e il Post Process relativo al sensore.
La produzione di semiconduttori è un procedimento complesso che si articola in diverse fasi; la precisione della lavorazione è un elemento chiave per la qualità del prodotto, tanto quanto la sua stessa progettazione. Anzi, ne è parte, poiché il design di un sensore o di un processore d’immagine dipende anche dalla linea di produzione tanto che, sia l’uno che l’altra, vengono adeguati alle necessità produttive. Tutto comincia dalla fabbricazione di pani di silicio che avviene nella fabbrica di un fornitore (non sappiamo chi sia, ma ha sede nella stessa zona); si presentano come cilindri di diverso diametro (a seconda del tipo di impianto produttivo, in questo caso da 300mm) lunghi fino a due metri e prodotti per “accrescimento” secondo il processo Czochralski. Da questi pani si ottengono i fragilissimi dischi di silicio da meno di un millimetro di spessore, chiamati wafer, che costituiscono il substrato per i sensori. Il silicio viene consegnato alla Sony Kumamoto Tec già in forma di dischi (o cialde) di wafer, lucidi tanto che ci si può specchiare, ma che ancora non sono in grado di catturare le immagini; lo saranno al termine del loro viaggio all’interno della fabbrica Sony.
Il primo step è la pulizia del materiale: il wafer viene posto in una stazione di pulizia e irrorato d’acqua pura attraverso un ugello che sposta lo spruzzo dal centro ai bordi e viceversa, fino ad eliminare tutte le impurità. Successivamente il wafer viene spostato velocemente per far scivolare via l’acqua dalla superficie. I wafer lavati sono quindi trasportati in navicelle, una serie di carrelli automatizzati che si muovono lungo un percorso che, come abbiamo detto, si snoda per 23 Km all’interno della fabbrica.
Dopo il lavaggio, è il momento della realizzazione dei dispositivi veri e propri attraverso un processo familiare per il mondo della fotografia, ovvero il procedimento fotolitografico. Questo processo prevede la deposizione di una sostanza chiamata photoresist che, come intuibile, reagisce alla luce e viene “esposta” (a lunghezze d’onda specifiche) tramite opportune maschere per creare i circuiti del circuito integrato, in ultima analisi i transistor, i condensatori e tutti i componenti di un circuito integrato. Sony ha sviluppato una modalità di applicazione del photoresist estremamente evoluta che consente di raggiungere una elevata uniformità tra centro e bordi del wafer, ideale per la realizzazione di dispositivi dalle caratteristiche costanti, ad esempio nella formazione del filtro di Bayer.
Data la complessità di questi dispositivi, non è sufficiente una sola esposizione e il wafer viene sottoposto a diversi cicli di stesura del photoresist, con esposizione, lavaggio e drogaggio, o isolamento delle aree esposte, per decine o centinaia di passaggi. Alla fine, il photoresist viene completamente rimosso. Con drogaggio si intende l’impianto, nel substrato di silicio, di altri elementi chimici che trasformano le caratteristiche elettriche del materiale e consentono ai segnali elettrici di propagarsi secondo le specifiche del progetto; questo avviene sostanzialmente tramite uno strumento detto Ion Implanter che è, in sostanza, un piccolo acceleratore di particelle, capace di “sparare” gli ioni verso il wafer. Vi sono poi ulteriori passaggi tra cui la deposizione fisica tramite vapori e quella elettrochimica. Tra questi passaggi di deposizione i wafer passano attraverso la fase CMP, ovvero la planarizzazione chimico-meccanica, un altro procedimento che Sony è riuscita a migliorare per ottenere sensori dalla resa particolarmente uniforme. Dopo una fase di test chiamata EWS (Electrical Wafer Sort), in cui si verifica che il dispositivo sia funzionante dal mero punto di vista elettrico, i wafer vengono letteralmente “affettati” da lame diamantate da pochi centesimi di millimetro di spessore mentre sulle lame viene spruzzato del liquido di raffreddamento. I singoli chip di silicio possono quindi essere impiegati nella costruzione dei dispositivi elettronici. C’è anche un ulteriormente controllo per saggiare le sue caratteristiche fotografiche come rumore, prestazioni a diversi livelli di intensità luminosa e l’eventuale presenza di dead pixel.
I sensori che passano questi controllo sono pronti per essere montati sulla nostre fotocamere… fotocamere che sono assemblate in un’altra fabbrica, la Sony Technology Thailand.
