问答：半导体制造的过去、现在和未来

半导体制造的过去、现在和未来：行业顾问 Carl White 的问答

摩尔定律是英特尔联合创始人 Gordon E. Moore 在 1965 年首次提出的概念，预测集成电路（或微芯片）上的晶体管数量需要每两年翻一番，同时计算成本降低一半，导致计算能力呈指数级增长。半导体行业一直在努力跟上这一范式，但在更小的空间内不断提供更多的处理能力并非易事，尤其是在竞争对手朝着相同的目标努力并且消费者对先进技术的需求保持不变的情况下。

很大程度上要归功于摩尔定律，“我觉得需要——需要速度！”感觉更像是对半导体行业日常生活的描述，而不是 Top Gun 的复古引述 .这是我们最近与 C.L. 首席工程顾问、行业资深人士 Carl White 交谈的许多重要收获之一。白色工程服务有限责任公司。在整个半导体行业供应链的业务中工作了近 40 年之后，Carl 就开发和处理能力方面对速度的不懈需求提出了很好的看法。请继续阅读，了解他对过去必须以足够快的速度进行创新以跟上摩尔定律的要求、半导体行业目前面临的挑战以及我们在不久的将来可以期待看到的内容。

世伟洛克参考点 (SRP)： 感谢您加入我们，卡尔。您能先介绍一下您的背景吗？

卡尔·怀特： 我是土生土长的亚利桑那州人，在 1982 年在半导体加工工具 OEM ASM 开始我的职业生涯之前，我在亚利桑那州立大学学习了工业技术管理和机械工程。从那里我继续在摩托罗拉旗下的 Spectrum CVD 工作当时;材料研究公司，最终成为索尼的一部分； Tokyo Electron，也称为TEL；最终应用材料公司。我在半导体行业工作的 38 年中有 28 年在 OEM 领域工作，另外 10 年在芯片制造商摩托罗拉半导体产品集团工作。在过去 15 年从事 ALD（原子层沉积）技术工作后，我于去年从 ASM 退休。现在我咨询行业内的公司。

建议零售价： 听起来您的观点很有趣，曾在该行业的工具 OEM 和芯片制造商方面进行过广泛的工作。是什么驱使您将自己的职业生涯花费在这方面？

CW： 这是一个非常快节奏的行业。技术在不断变化，这需要我们这些在太空中工作的人发挥创造力和不断学习。没有机会感到无聊！看到我从事的设计如何推动变革也令人兴奋，因为半导体技术在几乎所有其他行业中都很重要。

建议零售价： 您发现哪些元趋势推动了半导体行业的发展？

CW： 早期，它是太空计划。后来，它是消费技术。我们从使用计算尺到手持计算器，再到个人电脑，再到智能手机，这一切都是可能的，因为半导体技术的发展。现在我们看到了人工智能的出现。和自动驾驶汽车推动变革。一个不变的因素是需要更快地生产产品和传达信息。不断需要新的半导体技术来满足对更多计算能力的需求。

还有来自半导体创新领导力竞争的驱动力。这不仅仅是公司之间的竞争，而是在全球范围内发生的事情。随着时间的推移，不同国家引领了半导体技术的发展，这些动态变化有时会导致行业层面的更大合作。例如，14 家美国半导体公司于 1987 年与美国政府联合成立了芯片制造联盟 SEMATECH，以努力提高他们生产的芯片的质量，以更好地在全球市场上竞争。这加速了美国半导体行业的发展。当时，许多公司都在尝试做所有事情……设计、制造和销售芯片技术。他们学会了专业化，从而创建了为其他公司制造芯片的代工厂，也帮助简化了行业发展。

SRP： 您能解释一下芯片密度与半导体技术及其驱动的电子设备的发展之间的关系吗？这对生产芯片所需的设备和组件有何影响？

CW： 为了跟上摩尔定律，小型化是一个持续的需求。为了在芯片上获得更多晶体管，您需要使它们越来越小。您还必须调整设备以适应制造工艺的进步。一个主要的转折点是在 1990 年代末 2000 年代初，当时该行业从 200 毫米硅片转移到 300 毫米硅片作为芯片的基础——这需要重大的制造和工具改变。用于 45 nm（纳米）晶体管的高 K（介电常数）栅极的开发允许更少的电子泄漏，这是该行业追求小型化的又一大步。我很幸运能够开发英特尔用来生产这些设备的设备，因此见证这种变化是令人兴奋的。现在，从长远来看，公司正在致力于 5 纳米芯片的生产。

一般而言，我们已经看到公司试图以每 18 个月的速度转向更小的工艺节点——这意味着制造更小的半导体技术特征尺寸，以努力制造更小、更快、更节能的晶体管。这超出了摩尔定律的预测（每两年转移到更小的工艺节点），因为这就是竞争对手正在做的事情。

半导体制造商告诉工具原始设备制造商他们希望在芯片性能方面达到什么目标，以及可能需要什么样的生产工艺。原始设备制造商致力于制造能够实现这种性能的生产设备，在此过程中，他们与世伟洛克等公司合作寻找现有组件或合作设计新组件以启用他们的工具。如果半导体公司要跟上创新的速度，这种合作至关重要，因为它可以帮助 OEM 获得他们今天需要的组件，并帮助组件制造商预测行业的未来需求。

建议零售价： 特定电子应用的市场需求是否推动了半导体创新，或者芯片技术的进步通常会先于市场需求？

CW： 它可以去任何一种方式。有时，不断发展半导体技术的普遍压力可能会在市场知道如何处理该技术之前导致突破。例如，在 1990 年代，计算能力快速发展，但缺乏充分利用芯片技术所需的软件知识和技能，因此应用程序落后于处理能力。但在其他情况下，可能存在让现有应用程序做更多事情的压力——我们现在看到了更多，因为需要支持更多的数据处理和人工智能。应用程序。

从根本上说，我们已经看到了三个需求时代。从 1960 年代到 1980 年代，一切都是为了启用计算机和计算设备。那时我们在芯片上有数千个晶体管。从 1980 年代开始，我们看到重点转向支持笔记本电脑和手机等移动技术。到那时，我们的芯片上已经有数百万个晶体管了。在过去十年中，数据传输和存储正在推动需求，因为我们创造的技术更加互联（随着物联网的兴起和支持全天候社交互动的智能设备的兴起）和以数据为中心的技术（像大数据和机器学习创造需求）。

建议零售价： 对更小但更强大的芯片的持续需求如何影响半导体制造中使用的流体系统组件的性能要求？

CW： 随着时间的推移，半导体芯片几何形状的变化推动了对芯片制造过程中使用的不同流体系统产品的需求。尤其是随着晶体管变得越来越小，避免加工过程中的污染至关重要，因为这会影响产量和芯片可靠性。必须避免不受控制的过程和组件污染。结果，该行业从波纹管阀（更高的循环寿命）转向隔膜阀（历史上更清洁），其“死区”和所含气体的体积以及运动部件更少。

现在，随着世伟洛克 ^® 的发布 ALD20 阀门最近，我们看到了波纹管阀门带来的高流量优势，它仍然提供现代半导体制造所需的超高纯度 (UHP) 性能。这之所以成为可能，部分原因是制造技术随着时间的推移而改进，并且因为我们还可以获得增强材料——例如高质量的 VIM-VAR 钢和耐腐蚀合金。还采用了更好的精加工技术，例如电抛光和钝化，以及在产品发布前进行的比以往更好的测试。过去，我看到一些公司争先恐后地首先推出一项技术，但他们的组件质量不够好，这给我们带来了问题。重要的是要知道产品将按照半导体领域的承诺开箱即用；您可以信任的一致并提供可重复性能的组件至关重要。

建议零售价： 与之前的问题类似，是阀门技术不断变化以支持新的芯片生产工艺，还是半导体制造进步推动了流体系统创新？

CW： 半导体制造工艺的变化无疑在确定我们对超高压阀门和其他流体系统组件的需求方面发挥了作用。当您制造微芯片时，您通常会在沉积室中通过一系列精确剂量的前体气体来涂覆晶体晶片（例如硅），以便在固化之前均匀地涂覆晶片。我们越来越多地采用液态和固态前体化学品，使用高温和精心控制的工艺将它们升华，然后使用 UHP 阀将它们定量到晶圆上。这些化学品通常不稳定，并具有侵蚀性、腐蚀性特征，使其难以有效使用。

我们通常依赖原子层沉积 (ALD) 和原子层蚀刻 (ALE) 工艺，因为化学气相沉积 (CVD) 和我们在该工艺中使用的前体无法得到足够有效的控制，无法以我们的小晶体管尺寸促进芯片制造今天见。正是这些工艺和化学方面的变化——例如，由于铝的导电性更高，该行业在 1990 年代从铝转向铜互连——因此需要更换组件。

早期，工具 OEM 意识到令人失望的芯片良率往往是由工艺问题而非设备故障引起的。水分、暴露在大气中的反应性化学物质、颗粒在阀门中形成残留物并阻止它们密封——这些都是该行业遇到的挑战。随着我们不断发展以控制过程挑战，我们已经了解到，通常是通过先进的流体系统组件和系统设计。这对我们的结果产生了积极影响，但它也影响了芯片制造工艺和使能组件的性能要求。

SRP： 如果这是半导体制造发展的历史图景，那么当今行业面临哪些挑战，以及这对流体系统组件的要求有何影响？

CW： 为了达到芯片制造的下一阶段，我们需要可靠的产品控制、可重复性和阀门制造的一致性。半导体工具需要大量 UHP 阀门，并且很难在阀门之间实现完全一致的性能，但我们需要制造一致性。这不仅仅是关于高质量的产品，而是从阀门到阀门的相同质量。

此外，温度变化也很重要。我们需要在更高的温度和流速下保持性能的一致性。现在越来越重视 3D NAND 芯片制造，这意味着随着晶体管堆叠在一起，更多的材料被分层到芯片上更深的裂缝中，因此您需要将更多的前驱介质注入到晶圆上——可能是 200 倍的气体——有效地覆盖这些位置。公差不断收紧，这意味着对可变性的允许更少。

“要进入芯片制造的下一阶段，我们需要可靠的产品控制、可重复性和阀门制造的一致性。”

SRP： 除了精确的剂量、温度稳定性和流量之外，该行业还需要 UHP 阀门以继续跟上摩尔定律吗？

CW： 我们也必须专注于清洁度和耐腐蚀性。材料科学在这里很重要。例如，ALD20 阀门使用合金 22（哈氏合金 ^® C22）在波纹管中，因为这是一种可以承受高腐蚀性化学物质的材料。但尽管如此，即使是这种材料也并非在每个过程中都是理想的。随着几何形状变得更小并且前体化学品变得更具腐蚀性，可能需要特殊的涂层来处理不同的化学物质。开发这些涂层可能既困难又昂贵，但我们的工艺对腐蚀的耐受性越来越低。

这就是为什么流体系统解决方案供应商在开发新产品时与 OEM 和半导体制造商密切合作至关重要的原因。几十年前，当世伟洛克推出第一款 ALD 阀时，协作非常重要，并且比以往任何时候都更加重要。有时这意味着与工具 OEM 合作，但由于对其工具的需求是由芯片制造商驱动的，因此有时您也需要直接与晶圆厂合作。这是关于共同解决问题并根据相关公司的开发周期找出有意义的事情。但正是这种合作将使明天的技术成为可能。

建议零售价： 在您的职业生涯中，与供应商的合作是什么样的？您个人是如何体验的？

CW： 在我职业生涯的早期，当我在 ASM 时，我与世伟洛克合作开发了世伟洛克 ^® DH系列超高压隔膜阀。我们需要一种能够在 220º C 的真空中工作并且比当时市场上可用的更小的阀门，因此我们可以在狭小的空间内安装更多的阀门，从而从我们的 ALD 工具中获得更好的性能。我与 Swagelok Southwest 和 Swagelok 的企业工程部门合作测试各种选项，我们最终找到了一个很好的解决方案。结果是一个具有双活塞设计的隔膜阀，一种有助于避免真空室污染的新润滑剂，以及可以持续超过 1000 万次循环的极端温度耐受性。

世伟洛克团队保持透明并愿意在整个过程中共享测试协议和数据也很有帮助，而其他制造商并非总是如此。此外，与协作努力的情况一样，人们会有所作为。你想和能让你轻松享受工作的人一起工作，而我在这个项目上合作的团队是一流的。在我的半导体行业职业生涯中，我一直在寻找希望在与客户打交道时实现双赢的业务联系人，而不仅仅是“我们赢”。这两种公司都在外面，所以我总是谨慎选择。

建议零售价： 半导体行业的下一步是什么？需要克服哪些挑战，在不久的将来我们可以期待什么？

CW： 该行业面临的一项挑战将是满足扩展需求。既然我们处于 7 nm 或 5 nm 工艺节点，那么我们该何去何从？是否存在使技术进一步小型化的材料和制造能力？ 3D NAND 堆叠是一种解决方案——我们看到更多的半导体堆叠在一起，与传统做法相比，可以将三倍数量的晶体管封装到一个区域中。正在开发新技术来促进这一点，例如选择性沉积启用技术允许您仅在晶圆上您想要的位置进行沉积，而不是涂覆整个表面。

材料也在发生变化。该行业正在将碳化硅视为晶圆而非硅的基础。硅很容易找到且价格低廉，因此被广泛采用，但我们可以看到像锗这样的材料重新投入使用，因为需要不同的材料来为微小尺寸的晶体管提供电力。随着时间的推移，人们已经研究了其他快速、有前途的材料，但制造工艺或芯片要求可能无法使这些昂贵的特种材料在经济上可行。现在，我们可能需要它们。

需要改变的不仅仅是晶圆材料，还有我们的工艺：我们沉积什么，我们如何蚀刻等等。诸如极紫外光刻 (EUV) 等较新的方法正在被采用，但是一旦我们开始研究小于 5-3 nm 的晶体管，这可能不会持续太久。您越小，成本就会成倍增加，因此我们可能会看到更多的专业供应商坚持努力跟上摩尔定律，而不是所有人，因为这样做会变得太昂贵。

建议零售价： 感谢卡尔的观点。对于担任您过去担任过的角色的半导体专业人士，您有什么最后的智慧之言吗？

CW： 如果有一件事是确定的，那就是我们将继续看到进步，即使我们还不能总是看到它会如何发生。您可以依靠的一件事是需要牢固的关系和协作才能到达您想去的地方。

当您有特殊需求时，并不总是像购买现成的产品来解决它那么简单；有时您必须与合作伙伴合作开发下一代解决方案。当你这样做时，寻找具有工程能力和协作思维的公司，以帮助你到达你想去的地方。您需要愿意倾听您需求的合作者，从不承诺任何他们做不到的事情，并且不会为了让您开心而牺牲质量。在快速行动时，您与许多公司一起面临风险，因此请了解您可以信任的人。建立关系是您可以做的最好的事情，以建立结果。

“……寻找具有工程能力和协作思维的公司，以帮助您到达您想去的地方。您需要能够倾听您需求的合作者……”

建议零售价： 谢谢你，卡尔！感谢您今天抽出宝贵时间与我们分享您的知识。

CW： 我的荣幸。我很乐意提供帮助。