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Title

【半导体制造技术】半导体产业介绍

洗子

·

Article

通过本篇文章我们可以了解到:

  1. 现在的经济状态和半导体产业的技术根基
  2. 什么是集成电路,五个电路集成的时代
  3. 什么是硅片?它是如何分层的,硅片制造五个阶段的基本方面
  4. 硅片制造发展的三个主要趋势
  5. 什么是关键尺寸(CD)以及摩尔定律如何预测未来硅片制造进展
  6. 自晶体管发明到现代硅片制造的不同电子时代
  7. 半导体产业中的不同职业路径

一、引言

在20世纪90年代中期,高技术产业占美国经济的27%,相比之下居民住房占14%,汽车占4%。

为什么半导体产业变得如此强大呢?一个主要因素是该产业能持续增加半导体产品性能而同时降低成本的价值。满足市场对高性能低成本需求的能力可以直接归根于技术的规律性发展,它贯穿了整个产业设计和制造业的历史,这使得半导体产业变得越来越强大。

二、产业根基

半导体产业发展的基础是在20世纪上半叶开发的技术上培育出来的。关键技术是在工业和学术网中获得的:真空管电子乐、无线电通信、机械制表机以及固体物理。这些产业为半导体产业提供了巨大的贡献。

1947年12月16日在贝尔电话实验室,威廉·肖克利(William Skockley)、约翰·巴丁(John Bardeen)、沃尔特·布拉顿(Walter Brattain)发明了固体晶体管。

固体晶体管

1957年,仙童半导体公司研制出了第一个平面晶体管。

平面晶体管

三、电路集成

那么什么是集成电路呢?将多个电子元件集成在一个硅衬底上,这就叫做集成电路,简称IC。德州仪器公司的杰克·基尔比(Jack Kilby)和仙童半导体公司的罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)于1059年分别独自发明了集成电路。

Jack Kilby制造了第一块用锗半导体材料作为衬底的集成电路。

Jack Kilby制造

Robert Noyce也发明了集成电路的概念,并扩展到如何在平面硅材料上互联不同的元件。

Robert Noyce制造

以下是五个集成时代的时间段和每个芯片上的元件数:

电路集成半导体产业周期每个芯片元件数
分离元件1960年之前1
小规模集成电路(SSI)20世纪60年代前期2--50
中规模集成电路(MSI)20世纪60年代到70年代前期20--5000
大规模集成电路(LSI)20世纪70年代前期到70年代后期5000--100 000
超大规模集成电路(VLSI)20世纪70年代后期到80年代后期100 000--1 000 000
甚大规模集成电路(ULSI)20世纪90年代后期至今大于1 000 000

四、集成电路制造

前面我们说到集成电路是集成在硅衬底上的,那么什么是硅片?什么是衬底?什么是芯片?硅片:由硅锭切片形成的薄片;衬底:硅圆片通常称为衬底;芯片:集成电路。(一片硅片上可以同时制作几十甚至上百个芯片)。

硅芯片的器件和层

4.1 硅片制造厂

硅片制造厂的发展历程是怎么样的呢?早期硅片厂的设备简单,操作者手工处理硅片,沾污较为严重(沾污主要来自于人体、空气、设备)。现代硅片厂的设备自动化程度高,拥有超净环境,沾污小。

4.2 集成电路的制造步骤

集成电路是怎么制造的呢?这里简述集成电路制造的5个重要步骤:

集成电路制造的五大重要步骤

4.3 其他企业

集成电路行业除了制造厂商外还有其他类型的企业。如:

  1. 芯片供应商:制造芯片在公开的市场上销售。(注:一些芯片制造商既制造自己用的芯片也在公开市场上销售,而另一些公司自己制造专用的芯片并在市场上购买其他芯片)
  2. 受控芯片供应商:制造芯片用于自己生产的产品上。
  3. 无制造厂公司:设计芯片,但不自己生产。
  4. 代工厂:为其他公司生产芯片。

五、半导体趋势

5.1 半导体的三大趋势

随着时间的推移,微芯片制造技术一直处于不断演进的状态。这种演进在半导体领域引起了三个关键趋势:提高芯片性能、提高芯片可靠性和降低芯片价格。这些趋势的实现,以及其中的关键因素,对于半导体行业的发展至关重要。

5.1.1 提高芯片性能

芯片性能的提高在于两个主要方面:速度和功耗。随着器件尺寸的不断减小和密度的增加,芯片的速度会相应提高,因为电信号传输的距离减少了。同时,微型化也导致了功耗的减小,使得芯片在性能和能效方面都取得了显著进步。

5.1.2 提高芯片可靠性

另一个关键趋势是提高芯片的可靠性,包括延长芯片的寿命和降低失效率。这一点尤其重要,特别是在对于关键应用领域,如航空航天和医疗设备,对芯片的可靠性要求极高的场景中。

5.1.3 降低芯片价格

半导体产业一直在努力降低芯片的价格。这主要通过两个因素实现:一是减小特征尺寸和增加硅片直径,从而提高制造效率,降低成本;二是半导体产业的规模经济效应,随着市场的增长,量产能力增强,进一步降低了成本。

5.2 半导体制造的技术进步

5.2.1 按比例缩小在芯片设计中的重要性

芯片器件尺寸的按比例缩小是关键的。单独缩小某个特征尺寸而不对其他尺寸进行调整是不可取的,因为这可能会影响到电学性能。因此,在芯片设计中,所有尺寸都必须按比例缩小,这既包括垂直方向也包括水平方向,以保证整体性能的优化

5.2.2 摩尔定律与半导体进步

摩尔定律是指每隔18到24个月,一块芯片上的元件数量将翻一番。自20世纪60年代以来,摩尔定律一直是半导体行业的基本准则。尽管在过去几年中,由于器件尺寸逐渐接近物理极限,摩尔定律的持续性受到了质疑,但其基本原则仍然在很大程度上指导着半导体技术的发展方向。

摩尔定律

在半导体行业的历史上,摩尔定律的实现得益于多种因素,包括技术创新、工艺改进以及市场需求的增长。这些因素共同推动了半导体技术的进步,降低了芯片的成本,提高了性能,从而推动了信息技术革命的发展。

六、电子时代

从1950年到2000年电子时代是如何发展的?

  1. 20世纪50年代:晶体管技术
  2. 20世纪60年代:工艺技术
  3. 20世纪70年代:竞争
  4. 20世纪80年代:自动化
  5. 20世纪90年代:批量生产

七、在半导体制造行业中的职业

半导体产业有这8种不同职业:硅片制造技师、设备技师、设备工程师、工艺技师、工艺工程师、现场服务代表、实验室技师、成品率/失效分析技师、设施技师、设施工程师、主管/经理。

硅片技师和设备技师的职责是什么?硅片技师负责操作硅片制造设备。设备技师负责查询故障并维护先进设备系统,保证硅片制造过程中设备正常运行。

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