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[半导体前端工艺:第一篇] 计算机、晶体管的问世与半导体

By 2022年11月22日 No Comments

无可否认,不论是半导体技术还是其产业本身,都已经成为所有市场中最大的产业之一。全球媒体、企业和政府也纷纷把目光投向了半导体工厂的下一个建设地。而每一次的技术革新都会进一步增加对智能设备的需求,半导体芯片的重要性也随之变得愈加突显。

然而,人们对半导体的变迁史和崛起却未必同样熟悉。从家用电器到智能手机,半导体是驱动电子设备不可或缺的元件。本期文章就来追溯一下这一核心元件的起源,了解一下它是如何成为我们日常生活的重要组成部分的。

以下六篇文章将详细介绍半导体的特征及工艺:“计算机与晶体管(Computers and Transistors)”、“工艺与氧化(Process and Oxidation)”、“光刻(Photolithography)”、“蚀刻(Etching)”、“沉积(Deposition)”和“金属布线(Metal Wiring)”。这些文章着重于说明技术之间的相关性。

人类的欲望: 计算机的诞生

从家庭到职场,人类一直在探索可以将各种场景中的日常活动简单化的方案。这也让技术设备的不断升级成了创新思想家们(Innovative thinker)一直关注的焦点。人类的这种欲望促使只能做简单运算的机器不断升级为更实用、更精密的设备。

从古至今,人类从未停止过发明机器的脚步。1871年查尔斯·巴贝奇(Charles Babbage)的分析机(Analytical Engine)就是最具代表性的实验创举。只要在分析机(Analytical Engine)插入名为穿孔卡片(Punched card/Punch card)的输入信息载体,就可以进行任何数学运算:分析机读取穿孔卡片的指令后,反复进行各种数学运算,最后在机器的另一头输出其结果值。就跟红白机(Famicom)的运作原理一样,想玩什么游戏,就插什么游戏卡。

虽然分析机没有最终完成,却给我们带来了启发。分析机具备了现代计算机的所有设计思想:穿孔卡片和输出设备相当于现在的存储器。所以说分析机就是CPU*的雏形。

查尔斯·巴贝奇(Charles Babbage)设计的分析机是用蒸汽作为动力源的。简言之,就是一台用金属和木材制作存储器和CPU,并用蒸汽机驱动的计算机。可见,从那时起,人们已经开始形成有关计算机运作原理的初步思想了,但没有把计算机与“电路”挂钩。那么,就让我们来看看电路是如何成为现代计算机核心元件的吧。当时,分析机的出现并没有带来石破天惊的震撼,也没有被广泛接受,但如今,以电路为核心的计算机却完全颠覆了世界。

*CPU:全称为(Central Processing Unit),中央处理器,相当于计算机的大脑。

电控计算机

以电路为基础的设备,比蒸汽、人力和水力驱动更先进。因为它可以更快、更高效地控制信号。以蒸汽驱动为例,蒸汽必须要达到一定水平才可以运转机器,除了反应速度慢之外,高压输送更需要使用厚实的输送管,大大降低了功效。为了更形象地说明,假设我们要让一扇门的开关受粗绳拉动的控制:以蒸汽为动力源的话,我们需要拉动绳索以打开锅炉阀门并驱动蒸汽,随后更要等上一段时间,待蒸汽到达能推开门的压力强度;然而,如果以电力为动力,只需一个按钮和发动机就够了,机器的体积变小了,还能大大提高功效和反应速度。

图1. 蒸汽驱动自动门(左)& 电驱动自动门(右)

 

电的发现让人类用电控制计算机的想法开始萌生,并成为了当时的一大主流思想。很多科学家开始尝试用电力来驱动计算机,其中电子数字积分计算机(ENIAC,Electronic Numerical Integrator and Computer)就是这种尝试的一大成果。与用齿轮和蒸汽动力来驱动的分析机不同,ENIAC采用了真空电子管和各种电路来驱动计算机。从“真空电子管”这一名称就不难看出,ENIAC的动力源正是电力。

图2. 电子数字积分计算机(ENIAC) (摘自点击查看原文

 

ENIAC的体积庞大,足以占据一个房间的面积。如此巨型的计算机,耗电量也达到了170kW,与同时使用170台微波炉的耗电量相当。当然,不愧于其庞大的体积和耗电量,ENIAC解决了当时的不少问题。相比咯吱作响“慢悠悠”运作的齿轮,采用17万根真空电子管的ENIAC也有着算是“破天荒”的运算速度。另外,ENIAC为氢弹的发明和仿真方法学 (Simulation Methodology)的创立也做出了不可磨灭的贡献。

然而,众所周知,ENIAC的性能其实还赶不上20世纪90年代的手提电脑。为了驱动一台低性能的电子计算机,功耗竟等同于同时运作170台微波炉,简直难以置信。而且,如此庞大的身躯,谈何普及?退一万步说,就是把ENIAC的体积缩小到其十分之一,也无济于事。毋庸置疑,相比上一代的蒸汽驱动设备,ENIAC在性能方面的确进步了不少。但想将其普及到“人手一台”,在体积和效率方面还有很长一段路要走。显然,ENIAC无法为人类创造其预想中的未来。世界呼唤进一步的创新,晶体管应运而生。

晶体管的问世

上文说道ENIAC采用了真空电子管,那这些电子元件的作用是什么呢?当时,人们已经明白只要能控制信号就可以制成运算机器。上文谈到的蒸汽自动门案例就是最好的证明:用粗绳(工具)控制蒸汽(信号),并设置了“只要拉绳就开门”的指令。电驱动自动门作为蒸汽驱动的升级版,其运作原理也是一样,利用开关来控制流入引擎的电流,以此来完成对门的操作。

归根到底,其实计算机就是在蒸汽自动门的基础上,增加了大量的输入和输出,然后在其内部安装数千个输送管,连接形成各种复杂的逻辑结构。蒸汽自动门只有开门和关门的作用,但试想一下,在此基础上,还可以进一步延伸,比如用一根粗绳同时开两扇门,或设计一款人站在门口时不会关闭的安全门等。以此类推,计算机就是在蒸汽自动门的基础上,不断叠加升级的功能。“粗绳”和“蒸汽输送管”就相当于真空电子管。

图3. 一个简单操作就可以同时打开几扇门的蒸汽驱动自动门 & 经两人同意才可以打开的自动门

 

如果想进一步升级“蒸汽计算机”的功能,改善整体性能,该怎么办?我们可以增加蒸汽管数量,形成更多的功能,或安装压力更大、温度更高的锅炉,提高反应速度等。原理虽说很简单,但现实操作起来却谈何容易?

蒸汽管本身就很大,即使只添加一条管道,增加的体积也相当可观;想提高锅炉的性能,不仅需要大量的能源,危险性也会大大增加。当时,真空电子管是人类找到的最好的替代方案。它由电力驱动,没有像高压锅炉爆炸那样的危险,且运作速度也达到了每秒数十次。当然,真空电子管的缺点就是庞大的耗电量,因此个别真空电子管会经常损坏。为了制造更好的计算机,就要寻找比真空电子管更胜一筹的元件。

1947年,晶体管诞生了。晶体管可以用微小的电量控制大量电流的流动,可谓是颠覆性的创造。科学家发现,只要使用以下两种半导体元件,就可以轻而易举地连接或断开信号(参见下图)。尽管其结构有些复杂,但原理却跟用粗绳控制蒸汽输送的道理一样。在晶体管诞生的那一年,人类发明了一款名叫 BJT*的产品,一直沿用至今。当然,晶体管的问世,也让半导体这一材料开始映入人们的眼帘。

*BJT:双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor),即通过一定的工艺将半导体内的P型半导体和N型半导体结合在一起(PN结合)制成的晶体管。

图4. 晶体管的结构:使用N型和P型两种半导体。(右图摘自了解半导体制造技术的图表)

 

所有人的半导体:MOSFET的创新与制造技术

1959年,贝尔研究所的研究员默罕默德·阿塔拉(Mohamed M. Atalla)博士和姜大元(Dawon Kahang)博士共同发明了一种金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET,Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor)。两人在硅晶圆上形成了两种半导体层,并在此之上堆叠金属制成了平面型的晶体管。MOSFET的运作原理与上一代晶体管虽有些不同,但使用方法却大同小异,其最大亮点就是生产率。

图5. 姜大元博士的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)模型结构(摘自(株)图书出版HANOL出版社)

 

得益于MOSFET的平面式结构,我们可以在硅晶圆上同时制造出好几个MOSFET。这意味着,只要把单个MOSFET的大小控制好,在相同面积的晶圆上可以多制作数十倍的晶体管,还可以直接把单个的MOSFET连接在一起。假设采用BJT晶体管制作CPU,即使BJT的制作过程再高效,想把数亿根BJT连接成CPU,仍然需要重复焊接以及将其固定在基板上的过程。相反,MOSFET可以一次性达到数亿根晶体管结合好的状态。正因为如此,“在硅晶圆上形成的MOSFET集合”在物理学上被“剥夺”了“半导体”的头衔。

接下来,我们将一探MOSFET的制作过程。我们常说,建造一个半导体工厂需要投数万亿(韩元)。出乎意料的是,如此的高投入其实就是为了以低成本生产MOSFET。那么半导体工厂是如何采用曝光(Exposure)、蚀刻(Etching)、沉积(Deposition)等半导体领域最常见的工艺来制作“廉价”的MOSFET的呢?让我们来一探究竟吧!

通过本篇文章我希望读者们能分清技术研发的目的与工具:科学家的目的是发明计算机,可以传递信号的电流是工具。MOSFET是目前以电力为基础的最顶级的“工具”,这是因为其制造工艺可以实现晶体管的量产。希望读者们能在接下来的内容中,想一想半导体的制造技术是如何降低半导体成本,进而为计算机与智能手机的普及奠定基础的。

※ 本文为外部专家对半导体/ICT的见解,并不代表SK海力士的立场。

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