本节小编将为大家讲述半导体芯片制造产业的六十年风雨,为大家展现一个更全面的半导体制造业历史。

 

从20世纪50年代,工程师们就已经开始着手工作并制订了许多今天仍在使用的基本工艺和材料。

 

一、开疆拓土的先锋-Shockley

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承担开疆拓土工作的,最为人们称道的就是William Shockley和美国的贝尔实验室。对半导体物理比较关注的人肯定听说过William Shockley,作为晶体管之父、诺贝尔物理学奖获得者(1956年)、点燃硅谷星星之火的人,自然是满身光环。

他在1955年离开了贝尔实验室并在加利福尼亚的Palo Alto创建了肖克利实验室。虽然肖克利试验室最终未能延续往昔的辉煌,但是它在西海岸建立了半导体制造业并为后来著名的硅谷奠定了基础。我们从这里也可以看到:一个产业的繁荣前期必定要有灵魂人物为其奠基,无疑,Shockley就是这样的人。我们的中关村虽然是向硅谷看齐,但终究难以超越硅谷,一定程度上正是缺少了像Shockley这样的巨人为其注入灵魂!

硅谷

二、“硅时代“到来

 

早期的半导体器件是用锗半导体材料来制造的。德州仪器(TI)公司在1954年引入了第一个硅晶体管,从而改变了这一趋势。可以说,TI公司将半导体产业引向了今天的道路上来。而在1956年和1957年贝尔实验室的两个技术进步,即扩散结和氧化掩膜的出现,使人们更加坚定的走向“硅时代”。

TI

二氧化硅(SiO2)可以在硅表面上均匀产生,并且有和硅相近的膨胀系数,使得在进行高温处理时不会出现翘起变形,二氧化硅还是良好的绝缘材料,可以在硅表面上充当绝缘层。另外,它对形成N型和P型区所需的掺杂物有良好的阻挡作用。

由于这些技术的进步,Fairchild Camera公司在1960年引入了平面技术,以此可以在制造过程中形成和保护PN结。氧化掩膜的开发也使得可以通过晶圆的表面形成两个PN节,它们都位于同一平面(plane)中,这种工艺将半导体技术引入用薄膜连线开发的阶段。

当然,这段时间的技术就像泉涌一样从各大公司的工程师的脑中涌现。

贝尔实验室又构想出了在晶圆表面沉积一层称为外延层的高纯度膜,再在其上形成晶体管的技术,使用这种技术可制作出更高速度的晶体管,并提供一个使得在双极型电路中元件封装更紧密的方案。

Bell

三、黄金发展期

 

20世纪50年代是半导体发展的黄金时期,几乎所有基本的工艺和材料都是在这个非常短的时期内开发出来的。在这十年里,由开始用锗材料制造小量的简单器件,发展到奠定了半导体未来的第一块集成电路和硅材料的基础。

在要求新的制造工艺、新的材料和新的制造设备以制造出新产品的推动下,20世纪60年代是该行业开始成长为成熟工业的十年。该行业芯片价格的下降趋势也是20世纪50年代建立的产业发展的推动力。

技术随着工程师在硅谷、环波士顿周边的第128号路以及德克萨斯州的不同公司间流动而传播。到了20世纪60年代,芯片制造厂的数量猛增,并且工艺接近了吸引半导体特殊供应商的程度。

20世纪50年代的许多关键人物创建了新公司。Robert Noyce离开了仙童(Fairchild)公司创立了Intel公司(与Andrew Grove和Gordon Moore一起),Charles Sporck也离开了仙童公司开始经营国家半导体公司,Signetics 公司成为第一家专门从事集成电路制造的公司。正如上面所示,美国半导体的精英有很多都是来自仙童半导体公司,一家企业聚集了这么多的精英,所以美国半导体霸业的形成并不偶然!

 

四、价格战的残酷洗礼

仙童

新器件设计通常是公司开始的动力,然而,价格的下跌是一个残酷的趋势,会将许多新的、老公司淘汰出局,这就是现实的游戏规则!

1963年,塑封在硅器件上的使用加速了价格的下跌,同年,美国无线电(RCA)公司宣布开发出了绝缘场效应管(IFET),这为MOS工业的发展铺平了道路。RCA还制造出了第一个互补性MOS(CMOS)电路。

在20世纪70年代,半导体集成电路的制造主要在中规模集成电路(MSI)的水平,向有利润并高产的大规模及集成电路(ISI)的发展在某种程度上受到了掩膜版引起的缺陷和由接触光刻机(Contact Aligner)造成的晶圆损伤的阻碍。但是这不能阻挡人类半导体产业的进步。Perkin and Elmer公司开发出来第一个实际应用的投射光刻机,从而一举解决了掩膜版和光刻机的缺陷问题。

集成电路板

在此十年间,洁净间的结构和运行得到了提高,并出现了离子注入机,用于高质量掩模版的电子束(e-beam)机,以及用于晶圆光刻掩模步进式光刻机(Stepper)开始出现。

 

五、自动化时代的到来

洁净间

20世纪80年代的焦点是如何从生产区域取消操作工和如何实现晶圆制造、封装的全过程自动化,因为人体总是会带来不经意的污染,为人体进行消尘同样价格昂贵!自动化提高了制造效率,使加工失误减到最小,并保持晶圆制造区更少的沾污。300nm的晶圆在20世纪90年代被引入,进一步促进了对自动化晶圆厂的需求(人工沾污的话就会导致大片晶圆的报废,代价昂贵)。

 

六、机遇与挑战

芯片

20世纪80年代的10年以美国和欧洲占据统治地位开始,以半导体成为全球产业而结束。从20世纪70到80年代,1um特征图形尺寸的障碍显示了机遇和挑战。机遇是指,这会是一个具有极高的速度和存储能力百万芯片的纪元。挑战是指传统光刻由于新增层、更大的晶圆表面台阶高度变化和晶圆直径增大造成的局限。1um的障碍是在20世纪90年代初期被突破的,50%的微芯片生产线在生产微米级和低于微米级的产品。

 

通过本期的介绍,相信大家已经对半导体产业的过去有了一个较为深入的了解了,那么,半导体在现代是如何发展的,之后又将走向何方呢?

欲知后事,请听下回分解。