什么是半导体技术?半导体技术技术的发展过程

时间:2022-12-19作者:佚名

有关半导体技术的知识,什么是半导体技术,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,半导体奈米技术与制作技术的发展,半导体器件有许多封装型式。

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。【什么是半导体技术?半导体技术技术的发展过程】

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。

因此,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。

半导体奈米技术

奈米技术有很多种,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。

以目前最先进的曝光机为例,价格在新台币 7 ~ 8 亿左右,而且一个大型的工厂里就需要将近 10 部。这也是为什么一个 12 ?嫉木г渤В?动辄需要上千亿台币的投资。

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