纳米工艺、硅晶圆、IC，你应该知道的半导体科普知识（转贴）|行业拆客

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只看楼主倒序阅读我要置顶楼主发表于: 2015-10-09

【半导体科普】细看晶圆代工之争，纳米工艺是什么？
最近，三星以及台积电在先进半导体制程打得相当火热，彼此都想要在晶圆代工中抢得先机以争取订单，几乎成了 14 纳米与 16 纳米之争，然而 14 纳米与 16 纳米这两个数字的究竟意义为何，指的又是哪个部位？而在缩小工艺后又将来带来什么好处与难题？以下我们将就纳米工艺做简单的说明。

纳米到底有多细微？
在开始之前，要先了解纳米究竟是什么意思。在数学上，纳米是 0.000000001 米，但这是个相当差的例子，毕竟我们只看得到小数点后有很多个零，却没有实际的感觉。如果以指甲厚度做比较的话，或许会比较明显。
用标尺实际测量的话可以得知指甲的厚度约为 0.0001 米（0.1 毫米），也就是说试着把一片指甲的侧面切成 10 万条线，每条线就约等同于 1 纳米，由此可略为想象得到 1 纳米是何等的微小了。
知道纳米有多小之后，还要理解缩小工艺的用意，缩小晶体管的最主要目的，就是可以在更小的芯片中塞入更多的晶体管，让芯片不会因技术提升而变得更大；其次，可以增加处理器的运算效率；再者，减少体积也可以降低耗电量；最后，芯片体积缩小后，更容易塞入行动装置中，满足未来轻薄化的需求。
再回来探究纳米工艺是什么，以 14 纳米为例，其工艺是指在芯片中，线最小可以做到 14 纳米的尺寸，下图为传统晶体管的长相，以此作为例子。缩小晶体管的最主要目的就是为了要减少耗电量，然而要缩小哪个部分才能达到这个目的？左下图中的 L 就是我们期望缩小的部分。藉由缩小闸极长度，电流可以用更短的路径从 Drain 端到 Source 端（有兴趣的话可以利用 Google 以 MOSFET 搜寻，会有更详细的解释）。

纳米工艺、硅晶圆、IC，你应该知道的半导体科普知识（转贴）

?（Source：www.slideshare.net）

此外，计算机是以 0 和 1 作运算，要如何以晶体管满足这个目的呢？做法就是判断晶体管是否有电流流通。当在 Gate 端（绿色的方块）做电压供给，电流就会从 Drain 端到 Source 端，如果没有供给电压，电流就不会流动，这样就可以表示 1 和 0。（至于为什么要用 0 和 1 作判断，有兴趣的话可以去查布尔代数，我们是使用这个方法作成计算机的）

尺寸缩小有其物理限制
不过，工艺并不能无限制的缩小，当我们将晶体管缩小到 20 纳米左右时，就会遇到量子物理中的问题，让晶体管有漏电的现象，抵销缩小 L 时获得的效益。作为改善方式，就是导入 FinFET（Tri-Gate）这个概念，如右上图。在 Intel 以前所做的解释中，可以知道藉由导入这个技术，能减少因物理现象所导致的漏电现象。

纳米工艺、硅晶圆、IC，你应该知道的半导体科普知识（转贴）

（Source：www.slideshare.net）

更重要的是，藉由这个方法可以增加 Gate 端和下层的接触面积。在传统的做法中（左上图），接触面只有一个平面，但是采用 FinFET（Tri-Gate）这个技术后，接触面将变成立体，可以轻易的增加接触面积，这样就可以在保持一样的接触面积下让 Source-Drain 端变得更小，对缩小尺寸有相当大的帮助。
最后，则是为什么会有人说各大厂进入 10 纳米制程将面临相当严峻的挑战，主因是 1 颗原子的大小大约为 0.1 纳米，在 10 纳米的情况下，一条线只有不到 100 颗原子，在制作上相当困难，而且只要有一个原子的缺陷，像是在制作过程中有原子掉出或是有杂质，就会产生不知名的现象，影响产品的良率。
如果无法想象这个难度，可以做个小实验。在桌上用 100 个小珠子排成一个 10×10 的正方形，并且剪裁一张纸盖在珠子上，接着用小刷子把旁边的的珠子刷掉，最后使他形成一个 10×5 的长方形。这样就可以知道各大厂所面临到的困境，以及达成这个目标究竟是多么艰巨。
随着三星以及台积电在近期将完成 14 纳米、16 纳米 FinFET 的量产，两者都想争夺 Apple 下一代的 iPhone 芯片代工，我们将看到相当精彩的商业竞争，同时也将获得更加省电、轻薄的手机，要感谢摩尔定律所带来的好处呢。

【半导体科普】半导体产业的根基：硅晶圆是什么？

在半导体的新闻中，总是会提到以尺寸标示的晶圆厂，如 8 吋或是 12 吋晶圆厂，然而，所谓的晶圆到底是什么东西？其中 8 吋指的是什么部分？要产出大尺寸的晶圆制造又有什么难度呢？以下将逐步介绍半导体最重要的基础——「晶圆」到底是什么。

何谓晶圆？
晶圆（wafer），是制造各式计算机芯片的基础。我们可以将芯片制造比拟成用乐高积木盖房子，藉由一层又一层的堆栈，完成自己期望的造型（也就是各式芯片）。然而，如果没有良好的地基，盖出来的房子就会歪来歪去，不合自己所意，为了做出完美的房子，便需要一个平稳的基板。对芯片制造来说，这个基板就是接下来将描述的晶圆。

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（Souse：Flickr/Jonathan Stewart?CC BY 2.0）

首先，先回想一下小时候在玩乐高积木时，积木的表面都会有一个一个小小圆型的凸出物，藉由这个构造，我们可将两块积木稳固的迭在一起，且不需使用胶水。芯片制造，也是以类似这样的方式，将后续添加的原子和基板固定在一起。因此，我们需要寻找表面整齐的基板，以满足后续制造所需的条件。
在固体材料中，有一种特殊的晶体结构──单晶（Monocrystalline）。它具有原子一个接着一个紧密排列在一起的特性，可以形成一个平整的原子表层。因此，采用单晶做成晶圆，便可以满足以上的需求。然而，该如何产生这样的材料呢，主要有二个步骤，分别为纯化以及拉晶，之后便能完成这样的材料。

如何制造单晶的晶圆
纯化分成两个阶段，第一步是冶金级纯化，此一过程主要是加入碳，以氧化还原的方式，将氧化硅转换成 98% 以上纯度的硅。大部份的金属提炼，像是铁或铜等金属，皆是采用这样的方式获得足够纯度的金属。但是，98% 对于芯片制造来说依旧不够，仍需要进一步提升。因此，将再进一步采用西门子制程（Siemens process）作纯化，如此，将获得半导体制程所需的高纯度多晶硅。

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▲硅柱制造流程（Source: Wikipedia）

接着，就是拉晶的步骤。首先，将前面所获得的高纯度多晶硅融化，形成液态的硅。之后，以单晶的硅种（seed）和液体表面接触，一边旋转一边缓慢的向上拉起。至于为何需要单晶的硅种，是因为硅原子排列就和人排队一样，会需要排头让后来的人该如何正确的排列，硅种便是重要的排头，让后来的原子知道该如何排队。最后，待离开液面的硅原子凝固后，排列整齐的单晶硅柱便完成了。

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单晶硅柱（Souse：Wikipedia）

然而，8吋、12吋又代表什么东西呢？他指的是我们产生的晶柱，长得像铅笔笔杆的部分，表面经过处理并切成薄圆片后的直径。至于制造大尺寸晶圆又有什么难度呢？如前面所说，晶柱的制作过程就像是在做棉花糖一样，一边旋转一边成型。有制作过棉花糖的话，应该都知道要做出大而且扎实的棉花糖是相当困难的，而拉晶的过程也是一样，旋转拉起的速度以及温度的控制都会影响到晶柱的质量。也因此，尺寸愈大时，拉晶对速度与温度的要求就更高，因此要做出高质量 12 吋晶圆的难度就比 8 吋晶圆还来得高。
只是，一整条的硅柱并无法做成芯片制造的基板，为了产生一片一片的硅晶圆，接着需要以钻石刀将硅晶柱横向切成圆片，圆片再经由抛光便可形成芯片制造所需的硅晶圆。经过这么多步骤，芯片基板的制造便大功告成，下一步便是堆栈房子的步骤，也就是芯片制造。至于该如何制作芯片呢？接着往下看。

[ 此帖被hongo在2015-10-10 09:49重新编辑 ]

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