半导体演进深度对话：回顾、现状与未来——专家问答

半导体制造的过去、现在与未来：资深顾问 Carl White 专访

摩尔定律由英特尔联合创始人 Gordon E. Moore 于 1965 年提出，预测集成电路（微芯片）晶体管数量每两年翻倍，计算成本减半，算力呈指数级增长。半导体行业为跟上这一范式不懈努力，但竞争对手同向竞逐、消费者对技术进步需求不断，要在更小空间持续提供更强算力并非易事。

很大程度上因摩尔定律，“我感到需要——对速度的需求！”更像是半导体行业日常写照，而非《壮志凌云》的经典台词。这是我们近期与资深专家 Carl White 对话的众多关键收获之一。Carl 是 C.L. White Engineering Services, LLC 首席工程顾问，在半导体供应链各企业深耕近 40 年，对开发与算力“加速”的不懈需求有独到见解。阅读以下内容，了解他对过去为跟上摩尔定律所需创新、当前行业面临挑战、近未来展望的看法。

Swagelok 参考点（SRP）： 感谢参与，Carl。请先介绍下背景？

Carl White： 我是亚利桑那州本地人，在亚利桑那州立大学学习工业技术管理与机械工程，1982 年入职 ASM（半导体加工工具 OEM）开启职业生涯。后先后任职于 Spectrum CVD（当时隶属摩托罗拉）、Materials Research Corporation（后并入索尼）、Tokyo Electron（TEL）及 Applied Materials。38 年中 28 年在 OEM 领域，10 年在芯片制造商——摩托罗拉半导体产品集团。去年从 ASM 退休，此前 15 年专注 ALD（原子层沉积）技术。现为行业企业提供咨询。

SRP： 您同时拥有工具 OEM 与芯片制造两侧视角，职业动力何在？

CW： 这是极快节奏的行业。技术持续变革要求从业者持续创造与学习，永无枯燥之虞！看到自己参与的设计推动变革也令人振奋，因为半导体技术关乎几乎所有其他行业。

SRP： 您见证了哪些元趋势推动半导体行业演进？

CW： 早期是航天计划，后来是消费电子。我们从计算尺到手持计算器、个人电脑、智能手机，皆因半导体技术演进成为可能。如今 AI 与自动驾驶正驱动变革。唯一常数是对更快生产产品、传递信息的需求。新半导体技术不断涌现以满足算力需求。

还有来自半导体创新领导权竞争的驱动力。这不只是企业间竞争，而是全球层面博弈。不同时期不同国家引领半导体技术发展，这种动态变化有时催生行业层面更深合作。例如 1987 年，14 家美国半导体企业联手政府成立 SEMATECH（芯片制造联盟），旨在提升芯片质量以在全球市场更具竞争力。这加速了美国半导体行业进步。当时许多企业试图包揽设计、制造、销售，后学会专业化分工，催生了为他人制造芯片的晶圆厂模式，也推进行业流线化发展。

SRP： 能否解释芯片密度与半导体技术演进及其赋能电子产品的关系？这如何影响芯片生产所需设备与组件？

CW： 微型化是跟上摩尔定律的恒定需求。为在芯片上集成更多晶体管，必须不断缩小尺寸。同时须调整设备以适配制造工艺进步。90 年代末至 2000 年代初，行业从 200mm 向 300mm 硅晶圆过渡是重大拐点——需大规模制造与工具变革。为 45nm 晶体管开发的高 K（介电常数）栅极减少电子泄漏，是微型化追求的另一大步。我有幸参与开发英特尔用于生产这些器件的设备，亲历这一激动人心的变革。现在视角看，企业已在攻关 5nm 芯片生产。

总体看，企业约每 18 个月就向更小工艺节点迈进——即制造更小半导体特征尺寸，以创造更小、更快、更节能的晶体管——这甚至超越摩尔定律预测（每两年一个节点），因为竞争对手都在这么做。

芯片制造厂告知工具 OEM 其芯片性能目标及可能需要的生产工艺。OEM 开发生产设备以实现该性能，过程中与 Swagelok 等公司合作，寻找现有组件或协同工程新组件以赋能工具。这种协作对半导体企业跟上创新速度至关重要——它帮 OEM 当下获得所需组件，也帮组件制造商预判行业未来需求。

SRP： 特定电子应用的市场需求驱动半导体创新，还是芯片技术进步通常先于市场需求？

CW： 两者皆有可能。有时持续演进的压力导致突破早于市场认知——如 90 年代算力飞跃，但软件知识技能跟不上，应用滞后于处理能力。但也存在赋能现有应用做更多事的压力——如今数据处理与 AI 应用需求正是如此。

根本上，我们见证了三个需求时代。60-80 年代聚焦赋能计算机与计算设备，芯片晶体管数千级。80 年代起重心转向移动技术（笔记本、手机），晶体管达百万级。近十年，数据传输与存储驱动需求——物联网与智能设备推动全天候社交互动，大数据与机器学习创造数据中心需求。

SRP： 持续追求更小更强芯片，如何影响半导体制造中流体系统组件的性能要求？

CW： 半导体芯片几何形态演变驱动了芯片制造工艺中流体系统产品的革新。特别是晶体管尺寸缩小，必须避免加工污染，因其影响良率与芯片可靠性。必须避免非受控工艺与组件污染。因此行业从波纹管阀（高循环寿命）转向隔膜阀（历史上更洁净），后者“死腔”更小、容纳气体体积更少、运动部件更少。

近期 Swagelok^® ALD20 阀面世，我们看到兼具波纹管阀高流量优势与现代半导体制造所需超高纯（UHP）性能的产品。这得益于制造工艺改进、材料升级——如高品质 VIM-VAR 钢与耐腐蚀合金，以及更好的表面处理技术——电解抛光、钝化，还有产品发布前更完善的测试。过去我见过些公司为抢首发匆忙上市，却未充分验证组件，给我们带来麻烦。半导体领域，组件开箱即用、兑现承诺、性能一致可复现至关重要。

SRP： 类似前一个问题，是阀门技术变革赋能新芯片工艺，还是半导体制造进步驱动流体系统创新？

CW： 半导体制造工艺变革绝对定义了我们对 UHP 阀门等流体系统组件的需求。制造微芯片时，通常通过精确剂量序列将前驱体气体导入沉积腔均匀包覆晶圆（如硅）后固化。我们越来越多地将液体、固体前驱体化学品经高温升华、精准工艺控制后，用 UHP 阀门定量滴加到晶圆上。这些化学品常不稳定、具侵蚀性腐蚀特性，处理难度大。

我们频繁依赖 ALD 与 ALE（原子层刻蚀）工艺，因为 CVD 及其前驱体已无法有效受控以支撑当今微小晶体管尺寸制造。工艺化学变革——如 90 年代因铜导电性更优从铝互连转向铜——迫使组件变革。

早期工具 OEM 认识到令人失望的芯片良率常源于工艺问题而非设备故障。水分、活性化学品暴露大气、颗粒在阀内形成残留阻碍密封——这些都是行业遭遇的挑战。我们在演进中学会通过先进流体系统组件与系统设计管控工艺挑战，这改善了结果，也影响了芯片制造工艺与赋能组件的性能要求。

SRP: 这是历史图景，当前行业面临何种挑战？如何影响流体系统组件要求？

CW： 迈向下一阶段芯片制造，需要可靠的产品控制、重复性、阀门制造一致性。半导体工具需要大量 UHP 阀门，阀与阀间很难完美统一，但我们需要制造一致性。不只是高质量产品，更是阀与阀间的同质量。

温度变化也很关键。我们需要高温高流速下的性能一致性。3D NAND 制造愈发重要，意味着材料层层堆叠进芯片更深凹槽，晶体管垂直堆叠，需要向晶圆输送更多前驱体介质——可能是 200 倍气体量——以有效包覆这些位置。公差日益收紧，意味着对变异的容忍度越来越低。

“迈向下一阶段芯片制造，需要可靠的产品控制、重复性、阀门制造一致性。”

SRP: 除精准定量、温度稳定性、流量容量外，为继续跟上摩尔定律，行业还需要 UHP 阀门具备什么？

CW： 必须坚守洁净度与耐腐蚀性。材料科学在此关键。例如 ALD20 阀波纹管采用 Alloy 22（Hastelloy^® C22），因其能耐受高腐蚀化学品。但即便这种材料也非万能，随着几何尺寸缩小、前驱体化学品更激进，可能需要特种涂层应对不同化学体系。开发涂层困难且昂贵，但工艺对腐蚀容忍度越来越低。

这正是流体系统解决方案提供商需与 OEM 及半导体制造商紧密协作开发新产品的关键。数十年前 Swagelok 推出首款 ALD 阀时协作很重要，现在更重要。有时与工具 OEM 合作，但因工具需求由晶圆厂驱动，有时需直接与晶圆厂合作。关键在于共同解决问题，基于相关公司开发周期找到最优解。正是这种协作将成就明天的技术。

SRP： 职业生涯中供应商协作是什么样的？您亲身经历如何？

CW： 早年在 ASM 时，我与 Swagelok 合作开发 Swagelok^® DH 系列 UHP 隔膜阀。我们需要真空 220°C 下工作、比市面产品更小的阀门，以便在狭小空间塞入更多阀门提升 ALD 工具性能。我与 Swagelok Southwest 及总部工程部协作测试方案，最终达成优秀方案。成果是双活塞设计隔膜阀、新型润滑剂避免真空腔污染、耐极端温度、寿命超 1000 万次循环。

Swagelok 团队透明开放、乐于全程分享测试协议与数据，这在其他制造商中不多见。协作中人很重要。您想与让工作愉快的人合作，该项目团队堪称顶尖。半导体职业生涯中，我始终寻找追求双赢而非“仅我赢”的商业伙伴。两类公司都存在，我一直谨慎选择。

SRP： 半导体行业下一步是什么？将面临何种挑战？近期可期待什么？

CW： 一大挑战是跟上扩展需求。已达 7nm 或 5nm 工艺节点，下一步何在？材料与制造能力能否支撑进一步微型化？3D NAND 堆叠是一条路——晶体管垂直堆叠，单位面积可容纳 3 倍晶体管。新技术正在研发以支撑此路径，如选择性沉积技术，仅在晶圆目标区域沉积而非全面包覆。

材料也在变。行业考察碳化硅替代硅做晶圆基底。硅易得且便宜曾被广泛采用，但不同材料可能回归以在微小尺寸为晶体管供电。其他快速前景材料曾被研究，但制造工艺或芯片需求未使这些昂贵特种材料具备经济可行性。现在可能需要了。

不只是晶圆材料需变，工艺也须变：沉积什么、如何刻蚀等。极紫外光刻（EUV）等新法已采用，但向 5-3nm 以下晶体管推进时可能失效。成本随尺寸缩小指数级上升，我们可能看到更多专业供应商坚持跟上摩尔定律，而非全员参与，因成本高到大多数企业无法承担。

SRP： 谢谢您的视角，Carl。对从事过您类似角色的半导体从业者有何箴言？

CW： 唯一确定的是，我们将持续见证进步，即使尚不清晰其路径。唯一可依赖的是：强关系与协作是抵达目标的必由之路。

面对专业化需求，并非总能买现成产品解决；有时需与伙伴共同开发下一代解决方案。此时，寻找具备工程能力与协作心态的公司。您需要倾听需求、不承诺做不到的事、不为取悦牺牲质量的合作者。快节奏下许多公司存此风险，学会辨别可信之人。建立关系是构建成果的最佳途径。

“……寻找具备工程能力与协作心态的公司助您达标。您需要倾听需求的合作者……”

SRP： 谢谢，Carl！感谢您抽时间分享见解。

CW： 我的荣幸。乐于助人。