半導體生產制造的環(huán)境和生產設備解析

中國政府"十三五"規(guī)劃草案，經濟發(fā)展目標包括半導體等先進產業(yè)及在晶片材料、機器人、航空設備和衛(wèi)星的次世代領域成為世界領先，研發(fā)經費將達GDP2.5%。

那么半導體是怎么制造出來的？這里我們并不是探究從沙子到芯片的過程，而是聚焦于半導體生產制造的環(huán)境和生產設備。

半導體芯片的生產通常要經歷以下過程：

半導體芯片生產工序

這些高端精細的制備過程對芯片的生產環(huán)境和設備要求是極高的，這些機器設備會令硅芯片（如英特爾硅芯片）遭受超強真空處理、「化學浴」浸泡、高能等離子體加工、紫外光照射等一系列步驟，同時還要使硅芯片經過數(shù)百個制造階段，從而將它們變成CPU、存儲器片、圖形處理器等。我們以美國應用材料公司的梅坦技術中心半導體生產環(huán)境和制備設備為例。

1.無塵室

在進入研究中心以前，必須穿上防護服，戴上面具、護目鏡、兩幅手套以及將鞋完全套住的塑膠袋。這里不是生產車間，相反，這個無塵室只是模擬了晶圓廠的環(huán)境，應用材料公司的設備將在這種環(huán)境下使用，以便公司及其客戶可以測試新技術和新工藝，然后真正將它們推向生產線。

2.玻璃光掩膜

芯片制造的核心技術是平版印刷（光刻），這種技術就像是絲網(wǎng)印刷，只不過不是通過絲制模板將墨滾壓至棉T恤上，而是通過玻璃光掩膜，使紫外光照射表面涂有光刻膠（一種有機化合物）的硅襯底上。在紫外光照射穿透的地方，光刻膠的化學特性會被削弱，使硅芯片表面留下圖案。接著，硅芯片會被送入一個「化學浴室」，在暴露在外的硅襯底上蝕刻溝槽，同時光刻膠覆蓋的區(qū)域不會受到任何影響。在去除了光刻膠以后，其他設備會用各種材料填補溝槽，比如用于制造處理器零部件的銅或鋁。此圖顯示的就是光掩膜，上面印有將打印到硅芯片上的圖案。

3.技術一流的機器設備

隨著硅芯片被送進制造車間，它將經過多達250個不同步驟的處理。這些步驟包括給各種材料覆上一層薄膜，接著蝕刻以制成晶體管和銅線。右圖是Endura機器。Endura平臺是一個模塊化、可配置系統(tǒng)，用于將金屬和金屬合金安裝到硅芯片。左圖則是TetraIII先進掩膜刻蝕系統(tǒng)。世界各地所有的掩膜制造商都利用這套系統(tǒng)開發(fā)和生產直徑為45納米的掩膜。

4.平板印刷室

根據(jù)現(xiàn)階段的技術發(fā)展水平制造的芯片直徑是30納米，也就是說，芯片零部件的平均尺寸大概是300億分之一米。芯片制造商目前正在開發(fā)直徑22納米的芯片設計，這會使得芯片零部件的尺寸更小。有些零部件的厚度遠遠超過寬度，有時，這一比例達到60比1，進一步增加了芯片制造的難度。因為這意味著蝕刻系統(tǒng)必須能以納米刻度，以超高精度在芯片上刻下極深、極窄的溝槽。平板印刷室里面點著黃色的燈，避免光掩膜與紫外線相互干擾。

5.極端真空狀態(tài)

技術人員在Endura系統(tǒng)的觸摸屏界面上工作。圖為大型銀泵，用于在機器內產生極端真空狀態(tài)——低至10-12個大氣。相比之下，距地面124英里（約合200公里）的高空（航天飛機飛行軌道所在位置）的氣壓為10-10個大氣。

6.前置式晶圓傳送盒

過去幾十年，用于制造芯片的硅芯片在尺寸上穩(wěn)步增加，使得制造商可以在每張盤上集成更多的芯片。從2000年開始，硅芯片直徑的行業(yè)標準一直為300毫米。為簡化傳送過程，將污染的風險降至最低程度，晶圓廠會充分利用前置式晶圓傳送盒（簡稱FOUP）。每個前置式晶圓傳送盒可以在無菌的清潔環(huán)境下放置25個硅芯片。接著，機器吸入里面的硅芯片，一個個地自動快速加工。

7. 高度自動化

放滿硅芯片的前置式晶圓傳送盒很重，大約為9公斤，自動化就成了無塵室設計的重要部分。無塵室有一條自動化懸掛單軌，可將前置式晶圓傳送盒從一處輸送至另一處。在照片中顯示的密封房間內，最多可以放置700個前置式晶圓傳送盒（可裝1.75萬個硅芯片）。機械臂將它們從兩側移進移出，放置在貫穿于整個無塵室的懸掛單軌（這張照片上沒顯示）。

另外2800個前置式晶圓傳送盒可以存放于主無塵室下面的一層?，F(xiàn)代無塵室中的每一臺機器都圍繞300毫米的硅芯片設計和制造。新一代芯片將采用450毫米的硅芯片制造，從而實現(xiàn)更大的規(guī)模效益。但是，要與450毫米的硅芯片兼容使用，整個行業(yè)必須更換每一個設備零部件。

8．零部件精確制造

雖然電腦芯片僅相當于手指甲大小，但卻由數(shù)億個晶體管構成，而用于將這些晶體管連接于機器、再將機器與主板和剩余世界連接的配線更是像迷宮一般。芯片全部是用直徑大約1英尺（約合30厘米）的圓形硅芯片制造，每個可以包含200個獨立、但外形相同的處理器。由于偶爾會發(fā)生污染事件，雖然無塵室極為干凈，制造商仍必須測試那些處理器的每一個零部件，以確保5億個零部件（每個直徑僅30至45納米左右）在制造過程中不會出現(xiàn)任何瑕疵。所以，這類機器的成本高達數(shù)千億美元。一個可容納數(shù)百臺此類機器的成熟晶圓廠，建造成本達數(shù)十億美元。