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原创 读《失去的制造业 日本制造业的败北》之何谓半导体篇

2017-5-7 13:38 1092 0 分类: MCU/ 嵌入式

对于半导体,大部分人始终有这样一个印象,以为能买到地球上最先进的设备,你就能够简单地按下开关机器就能给您制造出芯片出来。然后你去工厂参观,看到的印象也感觉确实是这样。因为你看到的只是一台台机器设备摆在你面前,但是你看不到的是机器设备之间的集成互联关系。在《小王子》书中,讲到最重要的东西往往是看不见的。不过漫漫黑夜之中,总有一双眼睛会先看到光明。那此刻,一起去看看那双光明之眼究竟看到了什么?

首先谈下,什么是半导体?高中物理说半导体是指导电性也就是其电阻值介于像金属这样的导体和绝缘体之间的材料,称为半导体。但是在这里,我们说的半导体是指半导体集成电路,也就是我们常说的芯片,英文简称IC(integrate circuit),它是一种基于半导体材料之上,透过集成技术将大量元器件集成到一块小小的硅片上。提到硅,它是目前地球上最多的半导体材料,像沙子的主要元素就是硅。

给出半导体定义同时其最大的优点也已经出来了,那就是可以在极小范围内形成具有一定功能的电路。可不要小看了这个优点,因为它人类现在才能用得上智能手机和平板电脑等数字电子设备。这里给个数据,大家随意感受下。1971年因特尔推出了第一款微处理器“4004”,当时大约集成了2300个10um的晶体管,推算下平均每个晶体管的成本约1美元。按照目前高通推出最新的处理器骁龙835,其里面集成了约30亿个晶体管,按照每个晶体管一美元来算那可是30亿美元,先还不说买不买得起的问题,扛不扛得动也是个问题,计算下芯片长度就是30亿取平方根然后再乘以十微米大概5.4米,所以说如果按照以前的工艺,即使你有钱买得下来也扛不动的。不过现实情况是,我们现在开心地用着骁龙835芯片在家里玩游戏看视频。为什么会这样?

这里必须提到一个人,那就是因特尔的创始人之一戈登摩尔,以它名字命名的摩尔定律指导着一代又一代的半导体人拼命向前,推动整个半导体产业快速发展几十年。摩尔定律其实内容也不多,就是说:晶体管的集成度每3年提高4倍。对于成本而言就是每3年降低4倍。所以现在人们才能使用到如此便宜的手机、平板等数字电子设备。

介绍完半导体的基本内容之后,下面介绍,如何实现半导体的制造?前方技术高能,提前报警。要往下看,读者可得认真看了。号称有500多道高度集成电路工序构建而成,不是开玩笑。好了,不废话了,请往下看。

制造半导体分为3个技术阶段:1、组件技术;2、集成技术;3、批量生产技术。以存储器为例,分别介绍这3个技术阶段内容。

1、组件技术

这是半导体制造工序的最小单位工艺技术。具体有以下技术:在硅片上形成薄膜的成膜技术,在其薄膜上形成抗蚀剂掩膜的光刻技术,按照刻蚀剂掩膜进行加工的刻蚀技术,加工后去除残渣及颗粒(异物)的清洁技术,测定加工后的图形尺寸以及检测是否有缺陷等的检测技术,等等。简单点说就是先在硅片表面形成一层薄膜,保护硅表面,然后如果要对某一具体位置进行操作,这个就需要光刻技术把这个位置给挖出来,然后对这一位置进行你要的操作,也就是刻蚀,之后再做清洁工作,最后就是检查工作。通常需要25~30次反复进行上述操作,才能在硅片上形成你所需要的3维结构。

2、集成技术

将各种组件技术组合起来形成一套工艺流程的技术就是集成技术。对组件技术的组合可以有无穷多种,因为没有限制每一组件技术的应用次数。那如何衡量集成技术的好坏呢?这也正是集成技术的难度所在,如何在短时间内完成从无限的组件技术组合中,制造低成本、满足规格且能流畅运行的工艺流程。

研发人员通常碰到的问题是很难根据最先的计划流程生产出可用的存储器,此时就需要及时作出调整,有时甚至需要重新设计来过。因此一个好的集成技术人员对于企业而言也可谓是一至宝。可谓千军易得一将难求,用在这里也并不为过。相信曾经的台积电大将梁孟松就是此等高手。听说不久梁孟松就要加盟中芯国际,如果真是如此,那真是中芯国际之幸啊!

3、批量生产技术

研发中心将设计出来的工艺流程转交给批量生产部门,这里就涉及到一个工艺复制的问题。我们把基于相同设备的复制称为精确复制,而如果对于设备不同的进行复制则称为基本复制。其实根本没有精确复制,即使是相同型号的设备,在出厂时也会存在微小的性能差异,这个称为机差。尤其是现在进入纳米工艺时代,机差的影响越来越不容忽视。

通常用成品率作为批量生产的指标。成品率是指生产出来的合格产品所占的比率。如果最终的成本品太低,则需要返回到集成技术阶段,再不行甚至需要重新改变组件技术。通常,从研发中心最初制定的工艺流程到形成能使批量生产工厂获得高成品率的工艺流程,通常需要5~10次反复。

3-1


所以半导体制造并非只是简单的按下开关那么简单。

对于半导体制造或许应该多一分敬畏。


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