半导体制造概述

作者:admin  来源:本站  发布时间:2021-05-19  访问量:5871

当我们说半导体时,首先想到的是什么?大多数时候,我们都在考虑计算机芯片和晶体管,但这并不像看起来那样简单。为了使我们能够对半导体制造工艺有一个基本的了解,我们需要了解什么是半导体及其在每天围绕我们的所有技术中的作用。

根据《牛津英语词典》的定义,“半导体是一种固体物质,其导电性介于绝缘子和大多数金属之间”,这归因于杂质的添加或温度的影响。由半导体(尤其是硅)制成的设备是大多数电子电路的基本组件。这是一个示例,可以帮助我们更好地了解什么是半导体。

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图1 导体/半导体/绝缘体示意图

想像一下铜线。那是一种导电的固体,这意味着它可以使电子轻松通过其材料。在频谱的另一端,考虑一下橡皮筋。橡胶阻止电子通过,这意味着它是绝缘体。现在,如果您得到一块硅并在其中混入某些金属,那么您将得到一种半导体,一种介于绝缘体和导体之间的材料。

但是,为什么我们首先需要半导体?嗯,半导体是所有电子产品的基础,从手机中的电子产品到微波炉,汽车甚至搅拌机中的电子产品,都是如此。

因此,它们对于我们社会的存在极为重要,是围绕我们的所有技术的基础。

在进入此类半导体器件的制造过程之前,让我们看一下半导体的历史,以帮助我们更好地了解半导体的构成及其含义。

半导体历史

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图2 半导体历史时间表

早在19世纪初期,人们就对具有半导体特性的材料进行了研究和研究,第一位观察者是1821年德国物理学家托马斯·约翰·塞贝克(Thomas Johann Seebeck)。

关于今天我们使用和制造的任何东西,第一种有用的技术类似于美国使用和制造的硅无线电晶体检测器,这是由美国工程师Greenleaf Whittier Pickard于1906年开发的,以及点接触晶体管是1947年由John Bardeen在Wal Laber的Bell Labs发明的布拉顿和威廉·肖克利。

重要的一点是,所有早期的半导体器件都非常大而笨重,与为我们今天的生活提供动力的微小,接近纳米级的器件有很大的不同。由于这些缺点,第一批半导体器件仅用于高度专业化和昂贵的设备,因为该技术要花费数十年的时间才能成熟并变得可扩展并大量生产。只有在满足这两个条件之后,我们才能看到在当今对我们而言显而易见的自然领域中,半导体在所有领域和领域中得到了广泛的采用和包含。

半导体元件

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图3 半导体组成元素

为了制造半导体,我们需要一种基材,从电子的角度来看,它是稳定的。这意味着它必须来自元素周期表中的四价元素(意味着有四个电子可用于共享一个共价键)。最著名和最常用的元素是硅,它非常丰富且易于使用。它存在于所有类型的沙子中,但是某些类型的沙子中硅的浓度非常高。

由硅制成的晶格非常稳定,但导电性不是很高。这就是为什么我们需要用三价(硼,镓,铟)或五价(锑,磷,砷)元素富集它的原因。三价元素被称为受体杂质,五价元素被称为施主杂质,因为它们在晶格中引起变化。

受主会产生空穴(这些只是电子失踪的地方,它们不是实际的粒子),然后使半导体变成p型(因为它的负电荷多于正电荷)。施主将电子添加到晶格中,这使半导体成为n型(因为它具有更多的电子,这意味着负电荷多于正电荷)。

将这些元素结合到实际半导体中的过程称为掺杂,这是一个非常昂贵且复杂的过程,因为进入该过程的材料需要非常纯净,因为即使是晶格中很小的原子级缺陷稍后可能会导致装配线上的电子设备出现故障。

半导体制造工艺步骤

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图4 半导体制造工艺步骤

我们可以将半导体制造工艺分为四个主要步骤:晶圆加工,芯片准备,IC封装和IC测试。这里只有第一个过程与我们有关,因为其他三个步骤会根据稍后制作的电路而变化。

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图5 CMOS的晶圆处理步骤示例

晶圆加工是一个微妙而复杂的过程,它本身具有多个步骤。晶圆制造用于构建具有最终产品所需的电气结构的组件(通常是集成电路,简称IC)。

在这里阅读有关硅晶圆的信息。

主要过程从一组工程师设计电路并定义其功能开始,同时指定电路正确操作所需的输入,输出和电压。这些规范被输入到各种电路设计软件中,然后导入到电路布局应用程序中,类似于计算机辅助图形,它可以帮助我们将设计引入现实世界。

电路的分辨率随着晶圆制造过程中的每个步骤而增加,因为设计过程开始时的规模已经以微米的分数进行了测量,到整个过程结束时,我们的尺寸达到了几纳米。比第一步要小几个数量级。

硅晶片开始是空白的和纯净的。电路是在洁净室中分层构建的(任何缺陷都会破坏容纳数千万甚至数十亿个晶体管的区域,因此任何错误都会非常昂贵)。然后,通过重复印刷,蚀刻和金属沉积的过程,我们最终得到了一块粗晶圆,然后将其送至测试区域,以确保已根据规格和纯度进行了设计。晶圆在误差范围内。

晶圆制造的实际过程非常复杂且技术性很强,但关键要点是从薄硅片开始,在该硅片中,您以几纳米的规模“绘制”电路,然后进行印刷,蚀刻和处理晶圆。而且,制造过程经常变化,因为每年都会产生新的技术和设备,从而使规模进一步缩小。

所有这些新技术一直在努力使半导体器件的尺寸从几微米(1971年为10微米)减小到仅几纳米(到2020年底为5纳米)。由于半导体的物理极限理论上仍然允许我们下降到几纳米,因此仍在朝着这个方向进行研究。

阅读有关晶圆尺寸历史的更多信息。

半导体制造与摩尔定律

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图6 摩尔定律

飞兆半导体和英特尔的联合创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)首先描述了这种趋势。现在被称为摩尔定律的法则始于1965年的预测,是对《电子杂志》(Electrical)杂志发行35周年的贡献。最初,它声明每个集成电路的组件数量每年将增加一倍。作者在1975年进行了一次修订,回顾了过去的十年,并预测每两年翻一番。

为什么这很重要?嗯,制造商在调整生产,研发预算时必须牢记摩尔定律;未来的预测非常重要且必要,因为制造半导体的过程是一个漫长,复杂而昂贵的过程。

截至2013年,进行所有这些过程的建筑物的估计成本约为100亿美元,并且需要2至3年的时间来进行建造和提高产量。这些建筑物被称为晶圆厂或铸造厂,它们极其昂贵且复杂,这就是制造半导体的公司始终需要牢记对未来需求的健康预测的原因。

我们现在可以看到需求高峰的含义。由于多种因素,半导体制造已成为2020年和2021年的瓶颈,据估计最多在2022年左右恢复供应。硅短缺是由几起事件引起的,但就我们在此处的讨论而言,关键因素是制造商在2019年做出的错误预测,导致大流行开始。反过来,这导致了图形卡级别的备份,然后它又在制造堆栈中走得越来越远,影响了所有技术制造商,从而导致了目前的状况。

半导体的未来

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图7 半导体的未来

制造半导体的过程不是一件容易理解和/或执行的事情,但无论对我们与否,这对我们所有人都是极为重要的。半导体无处不在,它们构成了使我们能够远距离旅行,计算恒星和星系的位置,订购菠萝比萨和在Netflix上观看电影的电路。

至于半导体制造的未来,这似乎是光明的。为了制造越来越小的半导体器件,例如晶体管和MEMS(微机电系统),越来越多的工作和精力投入到更好,更快,更便宜的技术的开发中。

就目前而言,我们可以说摩尔定律仍然成立,但不是传统意义上的。组件的数量不再每两年增加一倍,但是该过程具有许多不同的子过程,这意味着有很多可能的改进,正在研究的颠覆性技术或者甚至没有构思出来的技术的。

半导体的未来似乎充满希望,在这项技术达到其物理极限之前,还有很长的路要走。半导体制造领域的不断发展将在物联网,24/7健康监控,超大型和纳米计算机(具有多个四千万个晶体管的更大裸片和具有数百万个晶体管的微观尺寸的裸片),植入式增强件方面带来新的发现和用途。与点对点通信的智能可穿戴设备仅举几例。

这些改进,以及我们甚至无法想象的所有其他改进,将对社会和人类产生巨大影响。无法预测他们将带我们到何处,但我们仍然可以期望最好的!看来,一场半导体革命即将来临。