半导体生产制造的环境和生产设备解析

中国政府"十三五"规划草案，经济发展目标包括半导体等先进产业及在晶片材料、机器人、航空设备和卫星的次世代领域成为世界领先，研发经费将达GDP2.5%。

那么半导体是怎么制造出来的？这里我们并不是探究从沙子到芯片的过程，而是聚焦于半导体生产制造的环境和生产设备。

半导体芯片的生产通常要经历以下过程：

半导体芯片生产工序

这些高端精细的制备过程对芯片的生产环境和设备要求是极高的，这些机器设备会令硅芯片（如英特尔硅芯片）遭受超强真空处理、「化学浴」浸泡、高能等离子体加工、紫外光照射等一系列步骤，同时还要使硅芯片经过数百个制造阶段，从而将它们变成CPU、存储器片、图形处理器等。我们以美国应用材料公司的梅坦技术中心半导体生产环境和制备设备为例。

1.无尘室

在进入研究中心以前，必须穿上防护服，戴上面具、护目镜、两幅手套以及将鞋完全套住的塑胶袋。这里不是生产车间，相反，这个无尘室只是模拟了晶圆厂的环境，应用材料公司的设备将在这种环境下使用，以便公司及其客户可以测试新技术和新工艺，然后真正将它们推向生产线。

2.玻璃光掩膜

芯片制造的核心技术是平版印刷（光刻），这种技术就像是丝网印刷，只不过不是通过丝制模板将墨滚压至棉T恤上，而是通过玻璃光掩膜，使紫外光照射表面涂有光刻胶（一种有机化合物）的硅衬底上。在紫外光照射穿透的地方，光刻胶的化学特性会被削弱，使硅芯片表面留下图案。接着，硅芯片会被送入一个「化学浴室」，在暴露在外的硅衬底上蚀刻沟槽，同时光刻胶覆盖的区域不会受到任何影响。在去除了光刻胶以后，其他设备会用各种材料填补沟槽，比如用于制造处理器零部件的铜或铝。此图显示的就是光掩膜，上面印有将打印到硅芯片上的图案。

3.技术一流的机器设备

随着硅芯片被送进制造车间，它将经过多达250个不同步骤的处理。这些步骤包括给各种材料覆上一层薄膜，接着蚀刻以制成晶体管和铜线。右图是Endura机器。Endura平台是一个模块化、可配置系统，用于将金属和金属合金安装到硅芯片。左图则是TetraIII先进掩膜刻蚀系统。世界各地所有的掩膜制造商都利用这套系统开发和生产直径为45纳米的掩膜。

4.平板印刷室

根据现阶段的技术发展水平制造的芯片直径是30纳米，也就是说，芯片零部件的平均尺寸大概是300亿分之一米。芯片制造商目前正在开发直径22纳米的芯片设计，这会使得芯片零部件的尺寸更小。有些零部件的厚度远远超过宽度，有时，这一比例达到60比1，进一步增加了芯片制造的难度。因为这意味着蚀刻系统必须能以纳米刻度，以超高精度在芯片上刻下极深、极窄的沟槽。平板印刷室里面点着黄色的灯，避免光掩膜与紫外线相互干扰。

5.极端真空状态

技术人员在Endura系统的触摸屏界面上工作。图为大型银泵，用于在机器内产生极端真空状态——低至10-12个大气。相比之下，距地面124英里（约合200公里）的高空（航天飞机飞行轨道所在位置）的气压为10-10个大气。

6.前置式晶圆传送盒

过去几十年，用于制造芯片的硅芯片在尺寸上稳步增加，使得制造商可以在每张盘上集成更多的芯片。从2000年开始，硅芯片直径的行业标准一直为300毫米。为简化传送过程，将污染的风险降至最低程度，晶圆厂会充分利用前置式晶圆传送盒（简称FOUP）。每个前置式晶圆传送盒可以在无菌的清洁环境下放置25个硅芯片。接着，机器吸入里面的硅芯片，一个个地自动快速加工。

7. 高度自动化

放满硅芯片的前置式晶圆传送盒很重，大约为9公斤，自动化就成了无尘室设计的重要部分。无尘室有一条自动化悬挂单轨，可将前置式晶圆传送盒从一处输送至另一处。在照片中显示的密封房间内，最多可以放置700个前置式晶圆传送盒（可装1.75万个硅芯片）。机械臂将它们从两侧移进移出，放置在贯穿于整个无尘室的悬挂单轨（这张照片上没显示）。

另外2800个前置式晶圆传送盒可以存放于主无尘室下面的一层。现代无尘室中的每一台机器都围绕300毫米的硅芯片设计和制造。新一代芯片将采用450毫米的硅芯片制造，从而实现更大的规模效益。但是，要与450毫米的硅芯片兼容使用，整个行业必须更换每一个设备零部件。

8．零部件精确制造

虽然电脑芯片仅相当于手指甲大小，但却由数亿个晶体管构成，而用于将这些晶体管连接于机器、再将机器与主板和剩余世界连接的配线更是像迷宫一般。芯片全部是用直径大约1英尺（约合30厘米）的圆形硅芯片制造，每个可以包含200个独立、但外形相同的处理器。由于偶尔会发生污染事件，虽然无尘室极为干净，制造商仍必须测试那些处理器的每一个零部件，以确保5亿个零部件（每个直径仅30至45纳米左右）在制造过程中不会出现任何瑕疵。所以，这类机器的成本高达数千亿美元。一个可容纳数百台此类机器的成熟晶圆厂，建造成本达数十亿美元。