硅晶圓是半導體制造中的基礎(chǔ)材料,主要用于生產(chǎn)各種電子元件,如晶體管、二極管和集成電路。它是通過將高純度的硅熔化后冷卻成單晶體結(jié)構(gòu),然后切割成薄片而制成的。硅晶圓的優(yōu)良導電性能和熱導性使其成為電子設(shè)備不可或缺的材料。在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中,隨著技術(shù)的進步,硅晶圓的應用不斷擴展,推動了計算能力的提升和消費電子產(chǎn)品的普及。
這篇文章讓我們探討歷史上,如何通過技術(shù)進步和制造改良,成功開發(fā)出高精度的超薄硅晶圓。
硅晶圓顯著特點
硅晶圓(見圖1)廣泛應用于晶體管、二極管和集成電路的制造。其直徑從幾厘米到幾英尺不等。小型晶圓適合用于微型電子設(shè)備的開發(fā),而大型晶圓則有利于更高效的生產(chǎn)流程。
圖1推動我們設(shè)備運行的半導體行業(yè),得益于硅晶圓制造技術(shù)的巨大演變。每次晶圓直徑的增加,都能夠提供更強大且更具性價比的半導體產(chǎn)品,從而提升計算能力,促進消費電子產(chǎn)品的普及。
半導體制造商通過增大晶圓直徑來提高產(chǎn)量并降低成本。晶圓上能容納的芯片越多,固定成本(包括廠房設(shè)備和人力成本)就能更有效地分攤。因此,隨著晶圓尺寸的增大,每個芯片的生產(chǎn)成本顯著下降。
雖然圓形晶圓最為常見,市場上也存在方形和矩形晶圓,其厚度在幾百微米到幾千分之一英寸之間。
逐步取得的進展
多年來,有多家公司專注于晶圓的生產(chǎn),最初的直徑僅為1英寸,而現(xiàn)在已達到300毫米。為了提升每片晶圓上晶體管和芯片的數(shù)量,降低生產(chǎn)成本并融入新技術(shù),晶圓尺寸在過去60年中實現(xiàn)了持續(xù)增長。
20世紀60年代的初始硅晶圓(見圖2)是用手工切割的單晶硅球制作的,體積小且價格昂貴,僅能用于開發(fā)體積龐大且不可靠的半導體設(shè)備。
圖2一英寸(25.4毫米)晶圓的出現(xiàn),使得首批集成電路(IC)的問世成為可能,盡管每個芯片的晶體管數(shù)量有限,而且必須手動裝載到加工設(shè)備中,導致較高的故障率。在這一初步嘗試中,值得注意的是在小型高性能晶體管制造及其技術(shù)應用方面取得的成就,為后續(xù)更大尺寸的晶圓奠定了基礎(chǔ)。
在接下來的1970年代和1980年代,隨著集成電路的發(fā)展,晶圓尺寸得到了提升,最初是2英寸,后來擴展到4英寸。增加芯片容量和降低成本成為推動行業(yè)采用2英寸(50.8毫米)和3英寸(76.2毫米)晶圓的主要目標。
這些變化不僅提升了芯片的表面積和性能,減少了故障,還促進了自動化技術(shù)的發(fā)展,從而加速了處理流程。因此,能夠?qū)崿F(xiàn)每個芯片上有數(shù)十個晶體管的晶圓,最小尺寸超過10微米,為微處理器和存儲電路的首次問世提供了基礎(chǔ)。可以預見,未來將會出現(xiàn)初步的大規(guī)模生產(chǎn)。
個人計算機的崛起以及1980年代生產(chǎn)成本的降低,促成了100毫米(4英寸)晶圓的標準化,使每個芯片能夠集成數(shù)十萬個晶體管,尺寸小于2微米,從而提升了微處理器和RAM的性能。由于對這些晶圓的強勁需求,量產(chǎn)已成為現(xiàn)實,所生產(chǎn)的半導體小巧、高效且價格實惠。
在1990年代和2000年代,晶圓純度顯著提升,大幅降低了污染物的存在,從而改善了半導體性能。1990年代,個人計算機的普及導致150毫米(6英寸)晶圓的廣泛應用(見圖3)。這些晶圓將設(shè)計尺寸縮小至0.5微米,提高了DRAM的密度和性能。在這一十年中,電子產(chǎn)品的需求呈現(xiàn)出指數(shù)級增長,得益于高性能芯片和價格的下降。
圖3200毫米(8英寸)晶圓于2000年代問世,最大化晶體管的密度,在設(shè)備優(yōu)化后實現(xiàn)。每個芯片集成了數(shù)十億個晶體管,表面積是6英寸晶圓的四倍,尺寸減小到納米級(90納米/65納米)。該時期的亮點包括千兆位DRAM在PC平臺上的普及,以及組裝/測試供應商的增加。
自2000年代以來,提升效率和降低生產(chǎn)成本仍然是行業(yè)的核心目標,伴隨著更大晶圓的使用,芯片制造不斷提升。
超薄晶圓的問世出現(xiàn)在2010年代,滿足了對更小、更薄設(shè)備的制造需求。2010年代見證了300毫米(12英寸)晶圓的誕生(見圖4)。早期的生產(chǎn)設(shè)施在設(shè)備震動、缺陷數(shù)量和整體過程控制方面面臨挑戰(zhàn),隨后整合了最佳的開發(fā)工具。
圖4這些晶圓在小于10納米的FinFET節(jié)點上開發(fā),表面積是以往晶圓的2.25倍。這使得每個芯片上能夠集成超過一億個晶體管,推動了擁有超過100億個晶體管的處理器/DRAM的生產(chǎn)。這為未來智能手機和移動設(shè)備的設(shè)計奠定了堅實基礎(chǔ)。
未來展望
為提高芯片制造的效率和質(zhì)量控制,行業(yè)正計劃將自動化和人工智能融入其生產(chǎn)流程。
展望未來,18英寸晶圓的出現(xiàn)將使開發(fā)面積翻倍,并可能將芯片成本降低至30%。這需要對更先進的加工設(shè)備進行投資,并招募工程師和創(chuàng)新者,專注于縮小幾何尺寸,提高技術(shù)復雜性,以及應對缺陷密度和供應鏈整合,這標志著行業(yè)對大規(guī)模制造的承諾。
預計這一晶圓尺寸的飛躍將在下一個十年內(nèi)實現(xiàn),目前正處于實驗階段,以便遷移某些非核心芯片技術(shù)。提高硅晶圓上晶體管的產(chǎn)量是半導體行業(yè)的目標,旨在大幅降低生產(chǎn)成本。處理和運輸?shù)谋憷詫⒊蔀槲磥砉杈A直徑設(shè)計的關(guān)鍵因素,畢竟晶圓越大,重量越重,所需的儲存空間和設(shè)備也會相應增加。
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