[半導體前端工藝：第一篇] 計算機、晶體管的問世與半導體

無可否認，不論是半導體技術還是其產(chǎn)業(yè)本身，都已經(jīng)成為所有市場中最大的產(chǎn)業(yè)之一。全球媒體、企業(yè)和政府也紛紛把目光投向了半導體工廠的下一個建設地。而每一次的技術革新都會進一步增加對智能設備的需求，半導體芯片的重要性也隨之變得愈加突顯。

然而，人們對半導體的變遷史和崛起卻未必同樣熟悉。從家用電器到智能手機，半導體是驅(qū)動電子設備不可或缺的元件。本期文章就來追溯一下這一核心元件的起源，了解一下它是如何成為我們?nèi)粘Ｉ畹闹匾M成部分的。

以下六篇文章將詳細介紹半導體的特征及工藝：“計算機與晶體管（Computers and Transistors）”、“工藝與氧化（Process and Oxidation）”、“光刻（Photolithography）”、“蝕刻（Etching）”、“沉積（Deposition）”和“金屬布線（Metal Wiring）”。這些文章著重于說明技術之間的相關性。

人類的欲望: 計算機的誕生

從家庭到職場，人類一直在探索可以將各種場景中的日?；顒雍唵位姆桨浮＿@也讓技術設備的不斷升級成了創(chuàng)新思想家們（Innovative thinker）一直關注的焦點。人類的這種欲望促使只能做簡單運算的機器不斷升級為更實用、更精密的設備。

從古至今，人類從未停止過發(fā)明機器的腳步。1871年查爾斯·巴貝奇（Charles Babbage）的分析機（Analytical Engine）就是最具代表性的實驗創(chuàng)舉。只要在分析機（Analytical Engine）插入名為穿孔卡片（Punched card/Punch card）的輸入信息載體，就可以進行任何數(shù)學運算：分析機讀取穿孔卡片的指令后，反復進行各種數(shù)學運算，最后在機器的另一頭輸出其結果值。就跟紅白機（Famicom）的運作原理一樣，想玩什么游戲，就插什么游戲卡。

雖然分析機沒有最終完成，卻給我們帶來了啟發(fā)。分析機具備了現(xiàn)代計算機的所有設計思想：穿孔卡片和輸出設備相當于現(xiàn)在的存儲器。所以說分析機就是CPU*的雛形。

查爾斯·巴貝奇（Charles Babbage）設計的分析機是用蒸汽作為動力源的。簡言之，就是一臺用金屬和木材制作存儲器和CPU，并用蒸汽機驅(qū)動的計算機。可見，從那時起，人們已經(jīng)開始形成有關計算機運作原理的初步思想了，但沒有把計算機與“電路”掛鉤。那么，就讓我們來看看電路是如何成為現(xiàn)代計算機核心元件的吧。當時，分析機的出現(xiàn)并沒有帶來石破天驚的震撼，也沒有被廣泛接受，但如今，以電路為核心的計算機卻完全顛覆了世界。

*CPU：全稱為(Central Processing Unit)，中央處理器，相當于計算機的大腦。

電控計算機

以電路為基礎的設備，比蒸汽、人力和水力驅(qū)動更先進。因為它可以更快、更高效地控制信號。以蒸汽驅(qū)動為例，蒸汽必須要達到一定水平才可以運轉機器，除了反應速度慢之外，高壓輸送更需要使用厚實的輸送管，大大降低了功效。為了更形象地說明，假設我們要讓一扇門的開關受粗繩拉動的控制：以蒸汽為動力源的話，我們需要拉動繩索以打開鍋爐閥門并驅(qū)動蒸汽，隨后更要等上一段時間，待蒸汽到達能推開門的壓力強度；然而，如果以電力為動力，只需一個按鈕和發(fā)動機就夠了，機器的體積變小了，還能大大提高功效和反應速度。

圖1. 蒸汽驅(qū)動自動門（左） 電驅(qū)動自動門（右）

電的發(fā)現(xiàn)讓人類用電控制計算機的想法開始萌生，并成為了當時的一大主流思想。很多科學家開始嘗試用電力來驅(qū)動計算機，其中電子數(shù)字積分計算機（ENIAC，Electronic Numerical Integrator and Computer）就是這種嘗試的一大成果。與用齒輪和蒸汽動力來驅(qū)動的分析機不同，ENIAC采用了真空電子管和各種電路來驅(qū)動計算機。從“真空電子管”這一名稱就不難看出，ENIAC的動力源正是電力。

圖2. 電子數(shù)字積分計算機（ENIAC） （摘自點擊查看原文）

ENIAC的體積龐大，足以占據(jù)一個房間的面積。如此巨型的計算機，耗電量也達到了170kW，與同時使用170臺微波爐的耗電量相當。當然，不愧于其龐大的體積和耗電量，ENIAC解決了當時的不少問題。相比咯吱作響“慢悠悠”運作的齒輪，采用17萬根真空電子管的ENIAC也有著算是“破天荒”的運算速度。另外，ENIAC為氫彈的發(fā)明和仿真方法學 （SimulationMethodology）的創(chuàng)立也做出了不可磨滅的貢獻。

然而，眾所周知，ENIAC的性能其實還趕不上20世紀90年代的手提電腦。為了驅(qū)動一臺低性能的電子計算機，功耗竟等同于同時運作170臺微波爐，簡直難以置信。而且，如此龐大的身軀，談何普及？退一萬步說，就是把ENIAC的體積縮小到其十分之一，也無濟于事。毋庸置疑，相比上一代的蒸汽驅(qū)動設備，ENIAC在性能方面的確進步了不少。但想將其普及到“人手一臺”，在體積和效率方面還有很長一段路要走。顯然，ENIAC無法為人類創(chuàng)造其預想中的未來。世界呼喚進一步的創(chuàng)新，晶體管應運而生。

晶體管的問世

上文說道ENIAC采用了真空電子管，那這些電子元件的作用是什么呢？當時，人們已經(jīng)明白只要能控制信號就可以制成運算機器。上文談到的蒸汽自動門案例就是最好的證明：用粗繩（工具）控制蒸汽（信號），并設置了“只要拉繩就開門”的指令。電驅(qū)動自動門作為蒸汽驅(qū)動的升級版，其運作原理也是一樣，利用開關來控制流入引擎的電流，以此來完成對門的操作。

歸根到底，其實計算機就是在蒸汽自動門的基礎上，增加了大量的輸入和輸出，然后在其內(nèi)部安裝數(shù)千個輸送管，連接形成各種復雜的邏輯結構。蒸汽自動門只有開門和關門的作用，但試想一下，在此基礎上，還可以進一步延伸，比如用一根粗繩同時開兩扇門，或設計一款人站在門口時不會關閉的安全門等。以此類推，計算機就是在蒸汽自動門的基礎上，不斷疊加升級的功能?！按掷K”和“蒸汽輸送管”就相當于真空電子管。

圖3. 一個簡單操作就可以同時打開幾扇門的蒸汽驅(qū)動自動門 經(jīng)兩人同意才可以打開的自動門

如果想進一步升級“蒸汽計算機”的功能，改善整體性能，該怎么辦？我們可以增加蒸汽管數(shù)量，形成更多的功能，或安裝壓力更大、溫度更高的鍋爐，提高反應速度等。原理雖說很簡單，但現(xiàn)實操作起來卻談何容易？

蒸汽管本身就很大，即使只添加一條管道，增加的體積也相當可觀；想提高鍋爐的性能，不僅需要大量的能源，危險性也會大大增加。當時，真空電子管是人類找到的最好的替代方案。它由電力驅(qū)動，沒有像高壓鍋爐爆炸那樣的危險，且運作速度也達到了每秒數(shù)十次。當然，真空電子管的缺點就是龐大的耗電量，因此個別真空電子管會經(jīng)常損壞。為了制造更好的計算機，就要尋找比真空電子管更勝一籌的元件。

1947年，晶體管誕生了。晶體管可以用微小的電量控制大量電流的流動，可謂是顛覆性的創(chuàng)造。科學家發(fā)現(xiàn)，只要使用以下兩種半導體元件，就可以輕而易舉地連接或斷開信號（參見下圖）。盡管其結構有些復雜，但原理卻跟用粗繩控制蒸汽輸送的道理一樣。在晶體管誕生的那一年，人類發(fā)明了一款名叫 BJT*的產(chǎn)品，一直沿用至今。當然，晶體管的問世，也讓半導體這一材料開始映入人們的眼簾。

*BJT：雙極結型晶體管（Bipolar Junction Transistor），即通過一定的工藝將半導體內(nèi)的P型半導體和N型半導體結合在一起（PN結合）制成的晶體管。

圖4. 晶體管的結構：使用N型和P型兩種半導體。（右圖摘自了解半導體制造技術的圖表）

所有人的半導體：MOSFET的創(chuàng)新與制造技術

1959年，貝爾研究所的研究員默罕默德·阿塔拉（Mohamed M. Atalla）博士和姜大元（Dawon Kahang）博士共同發(fā)明了一種金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET，Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor）。兩人在硅晶圓上形成了兩種半導體層，并在此之上堆疊金屬制成了平面型的晶體管。MOSFET的運作原理與上一代晶體管雖有些不同，但使用方法卻大同小異，其最大亮點就是生產(chǎn)率。

圖5. 姜大元博士的金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）模型結構（摘自（株）圖書出版HANOL出版社）

得益于MOSFET的平面式結構，我們可以在硅晶圓上同時制造出好幾個MOSFET。這意味著，只要把單個MOSFET的大小控制好，在相同面積的晶圓上可以多制作數(shù)十倍的晶體管，還可以直接把單個的MOSFET連接在一起。假設采用BJT晶體管制作CPU，即使BJT的制作過程再高效，想把數(shù)億根BJT連接成CPU，仍然需要重復焊接以及將其固定在基板上的過程。相反，MOSFET可以一次性達到數(shù)億根晶體管結合好的狀態(tài)。正因為如此，“在硅晶圓上形成的MOSFET集合”在物理學上被“剝奪”了“半導體”的頭銜。

接下來，我們將一探MOSFET的制作過程。我們常說，建造一個半導體工廠需要投數(shù)萬億（韓元）。出乎意料的是，如此的高投入其實就是為了以低成本生產(chǎn)MOSFET。那么半導體工廠是如何采用曝光（Exposure）、蝕刻（Etching）、沉積（Deposition）等半導體領域最常見的工藝來制作“廉價”的MOSFET的呢？讓我們來一探究竟吧！

通過本篇文章我希望讀者們能分清技術研發(fā)的目的與工具：科學家的目的是發(fā)明計算機，可以傳遞信號的電流是工具。MOSFET是目前以電力為基礎的最頂級的“工具”，這是因為其制造工藝可以實現(xiàn)晶體管的量產(chǎn)。希望讀者們能在接下來的內(nèi)容中，想一想半導體的制造技術是如何降低半導體成本，進而為計算機與智能手機的普及奠定基礎的。

※本文為外部專家對半導體/ICT的見解，并不代表SK海力士的立場。

審核編輯 黃宇