半導(dǎo)體工業(yè)（五）芯片密度的進(jìn)步

減小特征尺寸和隨之可以逐漸增加的電路集成密度有幾個(gè)好處。在電路性能水平上，有一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)就是可以增加電路運(yùn)行速度。更少的電流流動(dòng)距離和單個(gè)設(shè)備占用更少的空間，電子信息可以在更短的時(shí)間內(nèi)輸入和輸出芯片。任何等待個(gè)人電腦執(zhí)行簡(jiǎn)單操作的人都能體會(huì)到更快的性能帶來的效果，這樣明顯會(huì)帶來生產(chǎn)力的提升。

這些相同尺寸下集成更多的晶體管導(dǎo)致芯片或電路需要更少的功率來運(yùn)行。運(yùn)行ENIAC所需的小型發(fā)電站已經(jīng)可以被僅僅依靠一組電池運(yùn)行的功能強(qiáng)大的筆記本電腦完全取代了。

芯片密度的進(jìn)步

從SSI水平到ULSI芯片推動(dòng)了電路向更大的芯片尺寸邁進(jìn)。分立和SSI芯片的平均邊長(zhǎng)約為100密耳(0.1英寸)。ULSI芯片的尺寸具體在每邊500至1000密耳(0.5至1.0英寸)，或更大的范圍內(nèi)。集成電路是在稱為晶圓片的硅(或其他半導(dǎo)體材料，見后續(xù)的逐步介紹)薄板上制造的。

在圓形晶圓片上放置方形或矩形晶圓片，在邊緣周圍留下不可用的區(qū)域(見下圖)。隨著芯片尺寸的增加，這些不可用區(qū)域會(huì)變得越來越大(下圖所示)。為了彌補(bǔ)可用硅的損失，整個(gè)行業(yè)都在追求更大的晶圓。隨著芯片尺寸的增加，20世紀(jì)60年代直徑1英寸的晶圓已經(jīng)讓位于200和300毫米(8英寸和12英寸)的晶圓。這樣直接帶來的好處就是生產(chǎn)效率提高了好幾倍，因?yàn)閳A的面積隨著半徑的數(shù)學(xué)平方而增加。因此，晶圓直徑從6倍增加到12倍，可用于芯片制造的面積增加了四倍。

目前推出直徑450毫米(18英寸)晶圓的具體年份是在2012年。盡管經(jīng)濟(jì)再次衰退，但450毫米晶圓已經(jīng)上市，英特爾、臺(tái)積電和三星宣布計(jì)劃建立新的晶圓制造生產(chǎn)工廠(晶圓廠)。成本一直是加工更大晶圓的主要障礙。一般來說，簡(jiǎn)單地?cái)U(kuò)大300毫米生產(chǎn)線在技術(shù)上是不可能的，因?yàn)橹暗募庸すに囃耆粷M足相應(yīng)的需要，因此，新的晶圓廠設(shè)施是必要的，但這些新設(shè)施不是之前所說的供應(yīng)商設(shè)計(jì)，測(cè)試，并建立擴(kuò)大產(chǎn)能的工藝工具。

這些產(chǎn)能提升既昂貴又費(fèi)時(shí)。但具有更高效的生產(chǎn)、產(chǎn)量和先進(jìn)電路集成度所帶來的實(shí)際優(yōu)越性推動(dòng)了行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。費(fèi)用因素也導(dǎo)致了小直徑晶圓生產(chǎn)線的保留。對(duì)于那些在工廠里生產(chǎn)的老舊生產(chǎn)線來說，沒有什么經(jīng)濟(jì)上的動(dòng)力去遷移到更大的晶圓廠。事實(shí)上，150毫米(5.9英寸又名6英寸)晶圓和200毫米晶圓仍在使用。

降低缺陷密度

隨著特征尺寸的減小，在芯片上(以及在制造過程中)減少缺陷密度和缺陷尺寸的需求變得至關(guān)重要。在100 μm大小的晶體管上，1 μm的污垢可能不是問題。在1 μm尺寸上的晶體管中，它成為一個(gè)致命缺陷，可以使組件無法操作(下圖所示)。污染控制程序已成為微芯片制造成功的必要條件(見后續(xù)介紹)。

審核編輯：劉清