半导体技术


        半导体技术是指半导体加工的各种技术,包括晶圆的生长技术、薄膜沉积、光刻、蚀刻、掺杂技术和工艺整合等技术。

        

技术概念

        半导体技术就是以半导体为材料,制作成组件及集成电路的技术。在周期表里的元素,依照导电性大致可以分成导体、半导体与绝缘体三大类。最常见的半导体是硅(Si),当然半导体也可以是两种元素形成的化合物,例如砷化镓(GaAs),但化合物半导体大多应用在光电方面。

        

        绝大多数的电子组件都是以硅为基材做成的,因此电子产业又称为半导体产业。半导体技术最大的应用是集成电路(IC),举凡计算机、手机、各种电器与信息产品中,一定有 IC 存在,它们被用来发挥各式各样的控制功能,有如人体中的大脑与神经。

        

        如果把计算机打开,除了一些线路外,还会看到好几个线路板,每个板子上都有一些大小与形状不同的黑色小方块,周围是金属接脚,这就是封装好的 IC。如果把包覆的黑色封装除去,可以看到里面有个灰色的小薄片,这就是 IC。

        

        如果再放大来看,这些 IC 里面布满了密密麻麻的小组件,彼此由金属导线连接起来。除了少数是电容或电阻等被动组件外,大都是晶体管,这些晶体管由硅或其氧化物、氮化物与其它相关材料所组成。整颗 IC 的功能决定于这些晶体管的特性与彼此间连结的方式。

        

        半导体技术的演进,除了改善性能如速度、能量的消耗与可靠性外,另一重点就是降低制作成本。降低成本的方式,除了改良制作方法,包括制作流程与采用的设备外,如果能在硅芯片的单位面积内产出更多的 IC,成本也会下降。所以半导体技术的一个非常重要的发展趋势,就是把晶体管微小化。当然组件的微小化会伴随着性能的改变,但很幸运的,这种演进会使 IC 大部分的特性变好,只有少数变差,而这些就需要利用其它技术来弥补了。

        

        半导体制程有点像是盖房子,分成很多层,由下而上逐层依蓝图布局迭积而成,每一层各有不同的材料与功能。随

        着功能的复杂,不只结构变得更繁复,技术要求也越来越高。与建筑物最不一样的地方,除了尺寸外,就是建筑物是一栋一栋地盖,半导体技术则是在同一片芯片或同一批生产过程中,同时制作数百万个到数亿个组件,而且要求一模一样。因此大量生产可说是半导体工业的最大特色 。

        

        把组件做得越小,芯片上能制造出来的 IC 数也就越多。尽管每片芯片的制作成本会因技术复杂度增加而上升,但是每颗 IC 的成本却会下降。所以价格不但不会因性能变好或功能变强而上涨,反而是越来越便宜。正因如此,综观其它科技的发展,从来没有哪一种产业能够像半导体这样,持续维持三十多年的快速发展。

        

        半导体制程是一项复杂的制作流程,先进的 IC 所需要的制作程序达一千个以上的步骤。这些步骤先依不同的功能组合成小的单元,称为单元制程,如蚀刻、微影与薄膜制程;几个单元制程组成具有特定功能的模块制程,如隔绝制程模块、接触窗制程模块或平坦化制程模块等;最后再组合这些模块制程成为某种特定 IC 的整合制程

        

半导体纳米技术

        纳米技术有很多种,基本上可以分成两类,一类是由下而上的方式或称为自组装的方式,另一类是由上而下所谓的微缩方式。前者以各种材料、化工等技术为主,后者则以半导体技术为主。

        

        以前我们都称 IC 技术是「微电子」技术,那是因为晶体管的大小是在微米(10-6米)等级。但是半导体技术发展得非常快,每隔两年就会进步一个世代,尺寸会缩小成原来的一半,这就是有名的摩尔定律(Moore’s Law)。

        

        大约在 15 年前,半导体开始进入次微米,即小于微米的时代,尔后更有深次微米,比微米小很多的时代。到了 2001 年,晶体管尺寸甚至已经小于 0.1 微米,也就是小于 100 奈米。因此现在是奈米电子时代,未来的 IC 大部分会由奈米技术做成。但是为了达到奈米的要求,半导体制程的改变须从基本步骤做起。每进步一个世代,制程步骤的要求都会变得更严格、更复杂。


制程技术的挑战

        曝光显影:在所有的制程中,最关键的莫过于微影技术。这个技术就像照相的曝光显影,要把 IC 工程师设计好的蓝图,忠实地制作在芯片上,就需要利用曝光显影的技术。在现今的奈米制程上,不只要求曝光显影出来的图形是几十奈米的大小,还要上下层结构在 30 公分直径的晶圆上,对准的准确度在几奈米之内。这样的精准程度相当于在中国大陆的面积上,每次都能精准地找到一颗玻璃弹珠。因此这个设备与制程在半导体工厂里是最复杂、也是最昂贵的。

        

        半导体技术进入纳米时代后,除了水平方向尺寸的微缩造成对微影技术的严苛要求外,在垂直方向的要求也同样地严格。一些薄膜的厚度都是 1 ~ 2 奈米,而且在整片上的误差小于 5%。这相当于在100个足球场的面积上要很均匀地铺上一层约1公分厚的泥土,而且误差要控制在 0.05 公分的范围内。

        

        蚀刻:另外一项重要的单元制程是蚀刻,这有点像是柏油路面的刨土机或钻孔机,把不要的薄层部分去除或挖一个深洞。只是在半导体制程中,通常是用化学反应加上高能的电浆,而不是用机械的方式。在未来的奈米蚀刻技术中,有一项深度对宽度的比值需求是相当于要挖一口 100 公尺的深井,挖完之后再用三种不同的材料填满深井,可是每一层材料的厚度只有 10 层原子或分子左右。这也是技术上的一大挑战。

        

        除了精准度与均匀度的要求外,在量产时对于设备还有一项严苛的要求,那就是速度。因为时间就是金钱,在同样的时间内,如果能制造出较多的成品,成本自然下降,价格才有竞争力。另外质量的稳定性也非常重要,不只同一批产品的质量要一样,今天生产的 IC 与下星期、下个月生产的也要具有同样的性能,因此质量管控非常重要。通常量产工厂对于生产条件的管制,包括原料、设备条件、制程条件与环境条件等要求都非常严格,不容任意变更,为的就是保持质量的稳定度。

        

材料问题

        电子组件进入奈米等级后,在材料方面也开始遭遇到一些瓶颈,因为原来使用的材料性能已不能满足要求。最简单的一个例子,是所谓的闸极介电层材料;这层材料的基本要求是要能绝缘,不让电流通过。现在使用的是由硅基材氧化而成的二氧化硅,在一般状况下这是一个非常好的绝缘材料。

        

        但因组件的微缩,使得这层材料需要越做越薄。在奈米尺度时,如果继续使用这个材料,这层薄膜只能有约 1 奈米的厚度,也就是 3 ~ 4 层分子的厚度。但是在这种厚度下,任何绝缘材料都会因为量子穿隧效应而导通电流,造成组件漏电,以致失去应有的功能,因此只能改用其它新材料。但二氧化硅已经沿用了三十多年,几乎是集各种优点于一身,这也是使硅能够在所有的半导体中脱颖而出的关键,要找到比它功能更好的材料与更合适的制作方式,实在难如登天。

        

        而且,材料是组件或 IC 的基础,一旦改变,所有相关的设备与后续的流程都要跟着改变,真的是牵一发而动全身,所以半导体产业还在坚持,不到最后一刻绝对不去改变它。这也是为什么 CPU 会越来越烫,消耗的电力越来越多的原因。因为现在的 CPU 中,晶体管数量甚多,运作又快速,而每一个晶体管都会「漏电」所造成。这种情形对桌上型计算机可能影响不大,但在可携式的产品如笔记型计算机或手机,就会出现待机或可用时间无法很长的缺点。

        

        也因为这样,近年来许多学者相继提出各种新颖的结构或材料,例如利用自组装技术制作奈米碳管晶体管,想利用奈米碳管的优异特性改善其功能或把组件做得更小。但整个产业要做这么大的更动,在实务上是不可行的,顶多只能在特殊的应用上,如特殊感测组件,找到新的出路。

        

进步快速的主因

        尽管有种种挑战,半导体技术还是不断地往前进步。分析其主要原因,总括来说有下列几项。

        

        先天上,硅这个元素和相关的化合物性质非常好,包括物理、化学及电方面的特性。利用硅及相关材料组成的所谓金属氧化物半导体场效晶体管,做为开关组件非常好用。此外,因为性能优异,轻、薄、短、小,加上便宜,所以应用范围很广,可以用来做各种控制。换言之,市场需求很大,除了各种产业都有需要外,新兴的所谓 3C 产业,更是以 IC 为主角。

        

        因为需求量大,自然吸引大量的人才与资源投入新技术与产品的研发。产业庞大,分工也越来越细。半导体产业可分成几个次领域,每个次领域也都非常庞大,譬如 IC 设计、光罩制作、半导体制造、封装与测试等。其它配合产业还包括半导体设备、半导体原料等,可说是一个火车头工业。

        

        因为投入者众,竞争也剧烈,进展迅速,造成良性循环。一个普遍现象是各大学电机、电子方面的课程越来越多,分组越细,并且陆续从工学院中独立成电机电子与信息方面的学院。其它产业也纷纷寻求在半导体产业中的应用,这在全世界已经变成一种普遍的趋势。

        

        总而言之,半导体技术已经从微米进步到奈米尺度,微电子已经被奈米电子所取代。半导体的奈米技术可以代表以下几层意义:它是唯一由上而下,采用微缩方式的奈米技术;虽然没有革命性或戏剧性的突破,但整个过程可以说就是一个不断进步的历程,这种动力预期还会持续一、二十年。

        

        此外,组件会变得更小,IC 的整合度更大,功能更强,价格也更便宜。未来的应用范围会更多,市场需求也会持续增加。像高速个人计算机、个人数字助理、手机、数字相机等等,都是近几年来因为 IC 技术的发展,有了快速的 IC 与高密度的内存后产生的新应用。由于技术挑战越来越大,投入新技术开发所需的资源规模也会越来越大,因此预期会有更大的就业市场与研发人才的需求。

        

        半导体器件有许多封装型式,从DIP、SOP、QFP、PGA、BGA到CSP再到SIP,技术指标一代比一代先进,这些都是前人根据当时的组装技术和市场需求而研制的。总体说来,它大概有三次重大的革新:第一次是在上世纪80年代从引脚插入式封装到表面贴片封装,极大地提高了印刷电路板上的组装密度;第二次是在上世纪90年代球型矩正封装的出现,它不但满足了市场高引脚的需求,而且大大地改善了半导体器件的性能;晶片级封装、系统封装、芯片级封装是现在第三次革新的产物,其目的就是将封装减到最小。每一种封装都有其独特的地方,即其优点和不足之处,而所用的封装材料,封装设备,封装技术根据其需要而有所不同。驱动半导体封装形式不断发展的动力是其价格和性能。

        

摩尔法则

        今年是摩尔法则(Moore’s law)问世50周年,这一法则的诞生是半导体技术发展史上的一个里程碑。

        

        这50年里,摩尔法则成为了信息技术发展的指路明灯。计算机从神秘不可近的庞然大物变成多数人都不可或缺的工具,信息技术由实验室进入无数个普通家庭,因特网将全世界联系起来,多媒体视听设备丰富着每个人的生活。这一法则决定了信息技术的变化在加速,产品的变化也越来越快。人们已看到,技术与产品的创新大致按照它的节奏,超前者多数成为先锋,而落后者容易被淘汰。

        

        这一切背后的动力都是半导体芯片。如果按照旧有方式将晶体管、电阻和电容分别安装在电路板上,那么不仅个人电脑和移动通信不会出现,连基因组研究、计算机辅助设计和制造等新科技更不可能问世。有关专家指出,摩尔法则已不仅仅是针对芯片技术的法则;不久的将来,它有可能扩展到无线技术、光学技术、传感器技术等领域,成为人们在未知领域探索和创新的指导思想。

        

        毫无疑问,摩尔法则对整个世界意义深远。不过,随着晶体管电路逐渐接近性能极限,这一法则将会走到尽头。摩尔法则何时失效?专家们对此众说纷纭。早在1995年在芝加哥举行信息技术国际研讨会上,美国科学家和工程师杰克·基尔比表示,5纳米处理器的出现或将终结摩尔法则。中国科学家和未来学家周海中在此次研讨会上预言,由于纳米技术的快速发展,30年后摩尔法则很可能就会失效。2012年,日裔美籍理论物理学家加来道雄在接受智囊网站采访时称,“在10年左右的时间内,我们将看到摩尔法则崩溃。”前不久,摩尔本人认为这一法则到2020年的时候就会黯然失色。一些专家指出,即使摩尔法则寿终正寝,信息技术前进的步伐也不会变慢。

        

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