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半导体定义.txt14热情是一种巨大的力量，从心灵内部迸发而出，激励我们发挥出无穷的智慧和活力；热情是一根强大的支柱，无论面临怎样的困境，总能催生我们乐观的斗志和顽强的毅力……没有热情，生命的天空就没的色彩。半导体技术就是以半导体为材料，制作成组件及集成电路的技术。在周期表里的元素，依照导电性大致可以分成导体、半导体与绝缘体三大类。最常见的半导体是硅（Si），当然半导体也可以是两种元素形成的化合物，例如砷化镓（GaAs），但化合物半导体大多应用在光电方面。 绝大多数的电子组件都是以硅为基材做成的，因此电子产业又称为半导体产业。半导体技术最大的应用是集成电路（IC），举凡计算机、手机、各种电器与信息产品中，一定有 IC 存在，它们被用来发挥各式各样的控制功能，有如人体中的大脑与神经。 如果把计算机打开，除了一些线路外，还会看到好几个线路板，每个板子上都有一些大小与形状不同的黑色小方块，周围是金属接脚，这就是封装好的 IC。如果把包覆的黑色封装除去，可以看到里面有个灰色的小薄片，这就是 IC。 如果再放大来看，这些 IC 里面布满了密密麻麻的小组件，彼此由金属导线连接起来。除了少数是电容或电阻等被动组件外，大都是晶体管，这些晶体管由硅或其氧化物、氮化物与其它相关材料所组成。整颗 IC 的功能决定于这些晶体管的特性与彼此间连结的方式。 半导体技术的演进，除了改善性能如速度、能量的消耗与可靠性外，另一重点就是降低制作成本。降低成本的方式，除了改良制作方法，包括制作流程与采用的设备外，如果能在硅芯片的单位面积内产出更多的 IC，成本也会下降。所以半导体技术的一个非常重要的发展趋势，就是把晶体管微小化。当然组件的微小化会伴随着性能的改变，但很幸运的，这种演进会使 IC 大部分的特性变好，只有少数变差，而这些就需要利用其它技术来弥补了。 半导体制程有点像是盖房子，分成很多层，由下而上逐层依蓝图布局迭积而成，每一层各有不同的材料与功能。随 着功能的复杂，不只结构变得更繁复，技术要求也越来越高。与建筑物最不一样的地方，除了尺寸外，就是建筑物是一栋一栋地盖，半导体技术则是在同一片芯片或同一批生产过程中，同时制作数百万个到数亿个组件，而且要求一模一样。因此大量生产可说是半导体工业的最大特色 。 把组件做得越小，芯片上能制造出来的 IC 数也就越多。尽管每片芯片的制作成本会因技术复杂度增加而上升，但是每颗 IC 的成本却会下降。所以价格不但不会因性能变好或功能变强而上涨，反而是越来越便宜。正因如此，综观其它科技的发展，从来没有哪一种产业能够像半导体这样，持续维持三十多年的快速发展。 半导体制程是一项复杂的制作流程，先进的 IC 所需要的制作程序达一千个以上的步骤。这些步骤先依不同的功能组合成小的单元，称为单元制程，如蚀刻、微影与薄膜制程；几个单元制程组成具有特定功能的模块制程，如隔绝制程模块、接触窗制程模块或平坦化制程模块等；最后再组合这些模块制程成为某种特定 IC 的整合制程 。 半导体纳米技术 纳米技术有很多种，基本上可以分成两类，一类是由下而上的方式或称为自组装的方式，另一类是由上而下所谓的微缩方式。前者以各种材料、化工等技术为主，后者则以半导体技术为主。 以前我们都称 IC 技术是「微电子」技术，那是因为晶体管的大小是在微米（10-6米）等级。但是半导体技术发展得非常快，每隔两年就会进步一个世代，尺寸会缩小成原来的一半，这就是有名的摩尔定律（Moore’s Law）。 大约在 15 年前，半导体开始进入次微米，即小于微米的时代，尔后更有深次微米，比微米小很多的时代。到了 2001 年，晶体管尺寸甚至已经小于 0.1 微米，也就是小于 100 奈米。因此现在是奈米电子时代，未来的 IC 大部分会由奈米技术做成。但是为了达到奈米的要求，半导体制程的改变须从基本步骤做起。每进步一个世代，制程步骤的要求都会变得更严格、更复杂。 制程技术的挑战 曝光显影：在所有的制程中，最关键的莫过于微影技术。这个技术就像照相的曝光显影，要把 IC 工程师设计好的蓝图，忠实地制作在芯片上，就需要利用曝光显影的技术。在现今的奈米制程上，不只要求曝光显影出来的图形是几十奈米的大小，还要上下层结构在 30 公分直径的晶圆上，对准的准确度在几奈米之内。这样的精准程度相当于在中国大陆的面积上，每次都能精准地找到一颗玻璃弹珠。因此这个设备与制程在半导体工厂里是最复杂、也是最昂贵的。 半导体技术进入纳米时代后，除了水平方向尺寸的微缩造成对微影技术的严苛要求外，在垂直方向的要求也同样地严格。一些薄膜的厚度都是 1 ~ 2 奈米，而且在整片上的误差小于 5％。这相当于在100个足球场的面积上要很均匀地铺上一层约1公分厚的泥土，而且误差要控制在 0.05 公分的范围内。 蚀刻：另外一项重要的单元制程是蚀刻，这有点像是柏油路面的刨土机或钻孔机，把不要的薄层部分去除或挖一个深洞。只是在半导体制程中，通常是用化学反应加上高能的电浆，而不是用机械的方式。在未来的奈米蚀刻技术中，有一项深度对宽度的比值需求是相当于要挖一口 100 公尺的深井，挖完之后再用三种不同的材料填满深井，可是每一层材料的厚度只有 10 层原子或分子左右。这也是技术上的一大挑战。 除了精准度与均匀度的要求外，在量产时对于设备还有一项严苛的要求，那就是速度。因为时间就是金钱，在同样的时间内，如果能制造出较多的成品，成本自然下降，价格才有竞争力。另外质量的稳定性也非常重要，不只同一批产品的质量要一样，今天生产的 IC 与下星期、下个月生产的也要具有同样的性能，因此质量管控非常重要。通常量产工厂对于生产条件的管制，包括原料、设备条件、制程条件与环境条件等要求都非常严格，不容任意变更，为的就是保持质量的稳定度。 材料问题 电子组件进入奈米等级后，在材料方面也开始遭遇到一些瓶颈，因为原来使用的材料性能已不能满足要求。最简单的一个例子，是所谓的闸极介电层材料；这层材料的基本要求是要能绝缘，不让电流通过。现在使用的是由硅基材氧化而成的二氧化硅，在一般状况下这是一个非常好的绝缘材料。 但因组件的微缩，使得这层材料需要越做越薄。在奈米尺度时，如果继续使用这个材料，这层薄膜只能有约 1 奈米的厚度，也就是 3 ~ 4 层分子的厚度。但是在这种厚度下，任何绝缘材料都会因为量子穿隧效应而导通电流，造成组件漏电，以致失去应有的功能，因此只能改用其它新材料。但二氧化硅已经沿用了三十多年，几乎是集各种优点于一身，这也是使硅能够在所有的半导体中脱颖而出的关键，要找到比它功能更好的材料与更合适的制作方式，实在难如登天。 而且，材料是组件或 IC 的基础，一旦改变，所有相关的设备与后续的流程都要跟着改变，真的是牵一发而动全身，所以半导体产业还在坚持，不到最后一刻绝对不去改变它。这也是为什么 CPU 会越来越烫，消耗的电力越来越多的原因。因为现在的 CPU 中，晶体管数量甚多，运作又快速，而每一个晶体管都会「漏电」所造成。这种情形对桌上型计算机可能影响不大，但在可携式的产品如笔记型计算机或手机，就会出现待机或可用时间无法很长的缺点。 也因为这样，近年来许多学者相继提出各种新颖的结构或材料，例如利用自组装技术制作奈米碳管晶体管，想利用奈米碳管的优异特性改善其功能或把组件做得更小。但整个产业要做这么大的更动，在实务上是不可行的，顶多只能在特殊的应用上，如特殊感测组件，找到新的出路。 进步快速的主因 尽管有种种挑战，半导体技术还是不断地往前进步。分析其主要原因，总括来说有下列几项。 先天上，硅这个元素和相关的化合物性质非常好，包括物理、化学及电方面的特性。利用硅及相关材料组成的所谓金属氧化物半导体场效晶体管，做为开关组件非常好用。此外，因为性能优异，轻、薄、短、小，加上便宜，所以应用范围很广，可以用来做各种控制。换言之，市场需求很大，除了各种产业都有需要外，新兴的所谓 3C 产业，更是以 IC 为主角。 因为需求量大，自然吸引大量的人才与资源投入新技术与产品的研发。产业庞大，分工也越来越细。半导体产业可分成几个次领域，每个次领域也都非常庞大，譬如 IC 设计、光罩制作、半导体制造、封装与测试等。其它配合产业还包括半导体设备、半导体原料等，可说是一个火车头工业。 因为投入者众，竞争也剧烈，进展迅速，造成良性循环。一个普遍现象是各大学电机、电子方面的课程越来越多，分组越细，并且陆续从工学院中独立成电机电子与信息方面的学院。其它产业也纷纷寻求在半导体产业中的应用，这在全世界已经变成一种普遍的趋势。 总而言之，半导体技术已经从微米进步到奈米尺度，微电子已经被奈米电子 本文来源：https://www.dywdw.cn/10c4af1e964bcf84b9d57b8a.html
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2023-01-04
