作者：Jody Muelaner

　　半導(dǎo)體是所有現(xiàn)代電子產(chǎn)品、配電和可再生能源發(fā)電的核心。半導(dǎo)體產(chǎn)品的范圍從簡單的分立元件(例如晶體管和二極管)到復(fù)雜的集成電路或IC。半導(dǎo)體器件通常是組合起來構(gòu)成數(shù)字電路的邏輯門的核心。它們還用于振蕩器、傳感器、模擬放大器、光伏電池、LED、激光器和電源轉(zhuǎn)換器。行業(yè)產(chǎn)品類別包括存儲器、邏輯、模擬 IC、微處理器、分立功率器件和傳感器。

　　圖 1：集成電路和其他半導(dǎo)體產(chǎn)品的生產(chǎn)需要專用設(shè)備。 (圖片來源：蓋蒂圖片社)

　　盡管半導(dǎo)體具有關(guān)鍵性，但世界上大部分地區(qū)都依賴于單一的、因此脆弱的全球供應(yīng)鏈。這是由于非常顯著的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，使高度整合的生產(chǎn)更具經(jīng)濟(jì)競爭力。畢竟，半導(dǎo)體制造設(shè)施的建造成本高達(dá)數(shù)十億美元，而且需要非常熟練的員工。

　　圖 2：直線電機(jī)、皮帶傳動和微型型材導(dǎo)軌直線導(dǎo)軌只是加工半導(dǎo)體的機(jī)械中的一些精密設(shè)備。 (圖片來源：蓋蒂圖片社)

　　大多數(shù)晶圓廠(代工廠)位于臺灣、日本、中國、美國和德國，并且已經(jīng)運(yùn)營了幾十年。然而，超過一半的半導(dǎo)體和超過 90% 的先進(jìn)半導(dǎo)體是在臺灣制造的，所有主要電子產(chǎn)品制造商都至少在部分半導(dǎo)體制造中使用一家臺灣半導(dǎo)體制造廠。最近的地緣政治緊張局勢使這種依賴的危險成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。 2022 年創(chuàng)建有益的半導(dǎo)體生產(chǎn)激勵 (CHIPS) 和科學(xué)法案旨在通過激勵運(yùn)營商和自動化供應(yīng)商建立和擴(kuò)大美國半導(dǎo)體生產(chǎn)來解決這個問題。

　　半導(dǎo)體制造現(xiàn)狀

　　大多數(shù)材料要么是良好的電導(dǎo)體，例如金屬，要么是絕緣體，例如玻璃。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間;通過稱為摻雜的過程在晶體結(jié)構(gòu)中引入雜質(zhì)來調(diào)節(jié)電導(dǎo)率。摻雜電子供體元素可為 n 型半導(dǎo)體提供負(fù)電荷。相反，摻雜電子受體元素會為 p 型半導(dǎo)體產(chǎn)生帶正電荷的空穴。單晶內(nèi)兩個相鄰但不同摻雜的區(qū)域形成半導(dǎo)體 pn 結(jié)。晶體管可以布置有 NPN 或 PNP 結(jié)。

　　硅是迄今為止最常見的半導(dǎo)體材料。常見的n型摻雜劑是磷和砷，而常見的p型摻雜劑是硼和鎵。

　　圖 3：這臺 Jabil Precision Automation Solutions 機(jī)器中的六軸機(jī)器人執(zhí)行與自動光罩分類相關(guān)的任務(wù)，而不會影響封閉的潔凈室環(huán)境。 (圖片來源：歐姆龍自動化美洲公司)

　　最先進(jìn)的半導(dǎo)體制造生產(chǎn)的產(chǎn)品具有 1 到 100 納米之間的納米級特征。由于納米是十億分之一米，固體中單個原子之間的距離在 0.1 到 0.4 納米之間，現(xiàn)代半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)已經(jīng)接近材料結(jié)構(gòu)的極限。制造此類產(chǎn)品所涉及的極端精度要求在潔凈室環(huán)境中執(zhí)行流程，并防止地震活動、當(dāng)?shù)仫w機(jī)、火車、交通和附近機(jī)械的振動。

　　IC制造中最重要的工藝是晶圓生產(chǎn)、光刻和選擇性摻雜——最常見的是離子注入。許多晶圓廠專門從事晶圓制造或涉及光刻和摻雜的后續(xù)芯片制造。臺積電 (TSMC) 生產(chǎn)晶圓和芯片;它是唯一一家生產(chǎn)先進(jìn)的 5 納米和 3 納米芯片的工廠。一些半導(dǎo)體制造商如英特爾和德州儀器擁有自己的晶圓廠，僅依靠臺積電提供其最先進(jìn)的芯片。然而，許多無晶圓廠制造商(包括 Apple、ARM 和 Nvidia)完全依賴臺積電進(jìn)行半導(dǎo)體制造。

　　圖 4：GlobalFoundries 最近開始投資 10 億美元，以允許其現(xiàn)有的紐約州工廠每年額外生產(chǎn) 150,000 片晶圓。這一新產(chǎn)能旨在滿足汽車、5G 和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對功能豐富的芯片的需求。該設(shè)施還將支持安全供應(yīng)鏈的國家安全要求。 (圖片來源：GlobalFoundries)

　　雖然 AMD 在技術(shù)上是無晶圓廠的，但它并不依賴于臺積電，并且之前是自己制造芯片的。 AMD 剝離其制造業(yè)務(wù)并將其命名為 GlobalFoundries;后者在美國、歐洲和新加坡經(jīng)營晶圓廠。它的紐約工廠歷來生產(chǎn)低至 14 納米的芯片;即將出現(xiàn)的是 4 納米芯片，然后是 3 納米芯片。

　　考慮具體的芯片制造工藝

　　許多半導(dǎo)體制造采用可擴(kuò)展的高產(chǎn)工藝，允許在一個步驟中創(chuàng)建數(shù)百萬個單獨(dú)的特征(甚至納米級特征)?？紤]一些細(xì)節(jié)。

　　硅晶圓制造：多晶硅塊在部分抽空的氬氣氣氛中熔化，然后使用晶種拉動以生長單晶硅錠——在工藝開始和停止時形成具有頭部和尾部錐體的圓柱體。在此階段可以將一些均勻的摻雜添加到硅樹脂中。

　　圖 5：這里顯示了幾個晶體硅錠和可以從中切出的圓盤。在拉動之后和研磨之前，圓錐體仍然存在于鋼錠上。 (圖片來源：蓋蒂圖片社)

　　接下來，將錠磨成具有精確直徑的塊，并添加一個凹口以指示晶體取向。然后使用線鋸將該塊切成晶片;使用金剛石研磨工具對晶圓進(jìn)行斜切和研磨;然后通過化學(xué)蝕刻、熱處理、拋光以及用超純水和化學(xué)品清潔來精制表面光潔度。晶圓在包裝前要檢查其平整度和無顆粒清潔度。

　　圖 6：即使看似熟悉的清潔產(chǎn)品在用于潔凈室環(huán)境時也會采用新的形式。 (圖片來源：ACL Staticide Inc.)

　　光刻：電子電路的制造方法是首先在半導(dǎo)體基板上沉積一層金屬導(dǎo)體薄膜，然后使用光刻為電路圖案印刷掩模，然后蝕刻掉剩余的導(dǎo)電層。這些方法最初是為較大的印刷電路開發(fā)的，但現(xiàn)在用于 IC 的納米級制造。金屬鰭片以網(wǎng)格圖案印刷，5 納米工藝芯片的鰭片間距約為 20 納米。用于此特定過程的自動化系統(tǒng)通常采用直接驅(qū)動技術(shù)以及穩(wěn)定底座和軟件，甚至空氣軸承。

　　圖 7：可以通過電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡研究納米級結(jié)構(gòu)。此處所示的光掩模修復(fù)設(shè)備可自動進(jìn)行缺陷檢測和修復(fù)驗證，以加快吞吐量。原子力顯微鏡允許以納米精度和埃級精度檢測和修復(fù)缺陷和異物。 (圖片來源：Park Systems)

　　薄膜材料沉積：在此過程中，使用真空蒸發(fā)、濺射沉積或化學(xué)氣相沉積將金屬材料沉積在硅晶片上。

　　圖案化：這是實際的光刻工藝，在此過程中應(yīng)用掩模以防止在隨后的蝕刻步驟中從選定區(qū)域去除金屬層。常見的圖案化工藝包括光刻、電子束光刻和納米壓印光刻。掩模間隙之間的金屬被激光或電子束汽化。

　　蝕刻：化學(xué)去除材料層?；瘜W(xué)濕蝕刻使用活性液體，例如酸、堿和溶劑，而干蝕刻使用活性氣體。干法刻蝕包括反應(yīng)離子刻蝕和傳導(dǎo)耦合等離子體刻蝕。在這里，自動化設(shè)備控制工藝持續(xù)時間和速率——這是將芯片特性保持在公差范圍內(nèi)的關(guān)鍵。

　　離子注入：一旦在硅晶片上創(chuàng)建了電連接網(wǎng)格，就必須通過摻雜硅來創(chuàng)建 NPN 或 PNP 結(jié)，從而在結(jié)處創(chuàng)建單個晶體管。這是通過在結(jié)處引導(dǎo)由摻雜元素組成的離子束來實現(xiàn)的。加速離子束的極高速度使它們穿透材料并將自身嵌入硅晶片的晶格中。在光刻過程中創(chuàng)建的圖案用于精確引導(dǎo)離子注入過程。

　　采用自動化來提供半導(dǎo)體質(zhì)量

　　許多美國半導(dǎo)體行業(yè)目前生產(chǎn)制造設(shè)備，而不是自己實際制造半導(dǎo)體。該設(shè)備應(yīng)用了較傳統(tǒng)的機(jī)電制造自動化 技術(shù)。例如：

　　光刻設(shè)備由 Applied Materials 和 ASML 制造。

　　化學(xué)氣相沉積設(shè)備由 Lam Research 和 Applied Materials 制造。

　　等離子蝕刻設(shè)備由 Lam Research、Applied Materials 和 Plasma-Therm 制造。

　　離子注入設(shè)備由 Axcelis Technologies 和 Varian Semiconductor Equipment Associates 制造。

　　盡管目前美國的大部分半導(dǎo)體產(chǎn)品都是進(jìn)口的，但制造的所有階段都在一定程度上在美國境內(nèi)進(jìn)行，這包括英特爾、GlobalFoundries、德州儀器等公司的晶圓和芯片制造。

　　用于芯片制造的薄膜材料沉積、光刻圖案化、化學(xué)蝕刻和離子注入工藝本質(zhì)上是可擴(kuò)展的。它們允許同時創(chuàng)建數(shù)百萬個單獨(dú)的連接點(diǎn)。因此，制造商正在提高自動化水平，部分原因是為了提高生產(chǎn)率——但現(xiàn)在更多的是為了提高質(zhì)量。

　　自動化還與化學(xué)品、芯片和晶圓處理操作以及使用庫卡機(jī)器人等制造商生產(chǎn)的潔凈室機(jī)器人有關(guān)。后者在減少人為錯誤造成的損失方面發(fā)揮著重要作用。

　　圖 8：協(xié)作機(jī)器人搭載第七軸系統(tǒng)處理硅晶圓(厚度為 40 μm，直徑最大為 300 mm)，因為它們需要經(jīng)過多達(dá) 1,200 步才能變成芯片。 (圖片來源：庫卡機(jī)器人)

　　但在半導(dǎo)體制造中，自動化通常更多地涉及數(shù)據(jù)處理和結(jié)果決策的自動化。晶圓廠使用自動化算法進(jìn)行高級過程控制或APC以及統(tǒng)計過程控制或SPC。這些跟蹤過程變化和由此產(chǎn)生的制造缺陷，通過對制造過程的實時控制來減少。這樣的系統(tǒng)可以使用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)來識別跟蹤許多過程參數(shù)和質(zhì)量指標(biāo)的非常大的數(shù)據(jù)集中的模式。

　　Siemens的思想領(lǐng)袖將 APC 定義為包括各種減少控制變量變化的方法——包括模糊控制、模型預(yù)測控制、基于模型的控制、統(tǒng)計模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。此類工業(yè) 4.0 技術(shù)通常通過集成生態(tài)系統(tǒng)實施，例如西門子或施耐德電氣的EcoStruxure(舉兩個例子)為半導(dǎo)體行業(yè)提供的生態(tài)系統(tǒng)。過程變量可以與機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測相結(jié)合，以進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)，減少日常生產(chǎn)機(jī)器維護(hù)，同時避免停機(jī)。

　　結(jié)論

　　隨著美國采取行動確保具有戰(zhàn)略意義的關(guān)鍵半導(dǎo)體在國內(nèi)生產(chǎn)的競爭力，最先進(jìn)的自動化將必不可少。執(zhí)行材料處理的潔凈室機(jī)器人是最明顯和可見的自動化實現(xiàn)，但它是實際制造過程的自動化過程控制，可以獲得真正的競爭優(yōu)勢。從控制硅晶體生長的環(huán)境到確保離子注入過程中結(jié)處的精確摻雜，納米級 IC 的高效和無缺陷生產(chǎn)取決于對數(shù)千個工藝參數(shù)的實時控制。

　　最終這將是先進(jìn)的過程控制，涉及集成工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器、人工智能算法和其他先進(jìn)的基于模型的控制方法，這將確保美國半導(dǎo)體行業(yè)的競爭力。