1. 蓝色巨人1.1. 蓝色巨人开创的大型机时代不是IBM对人类的最大贡献1.2. 1945年成立的沃森研究院在历经20余年的沉淀后逐步发力在物理、化学与数学等基础学科领域为IBM提供了足够的底蕴为蓝色巨人掌控半导体全产业链打下了深厚的基础1.3. 以晶体管为基石制作了一个被称为SMS(StandardModular System)的电子模块1.4. IBM在20世纪50年代搭建7000系列大型机使用的主要电子线路模块1.5. SLT模块是IBM有史以来首次采用全球合作方式制作的电子元器件1.5.1. SLT的性能显然不如单片集成电路但与SMS模块相比至少与玩具划清了界限1.5.2. SLT成为搭建System/360大型机的必然选择1.5.3. 1964年IBM正式推出SLT模块1.5.4. 1965年IBM生产的SLT数量高达100万片1.5.5. 1966年为600万片1.5.6. 并于19671969年将年产量提高到了1100万片1.5.7. 半导体产业因为IBM的这次强势出击而翻天覆地1.6. IBM在大型机时代获得的巨大成功确保了其在电子信息产业中的地位1.7. IBM在SLT技术上的千金一掷使其具备了庞大的电子制造业与工厂1.8. 率先研制出的新工艺使IBM有条件制作出性能更高的集成电路1.8.1. 性能更高的集成电路进一步维护IBM在大型机产业中的霸主地位1.9. IBM率先提出无尘工厂的概念制定出多如牛毛般的管理与制作标准规范了集成电路制作的主要流程整合了半导体上游的设备与材料将半导体制造业推向阶段顶峰1.10. 晶圆厂以效率优先为第一要务所有设备需要按照产能利用最大化为原则搭建成为若干条流水线协调运转1.11. 制定流程协调运转各类设备不是蓝色巨人的最终追求1.12. 半导体设备、材料与制作工艺之间存在的紧耦合关系使得独立研究某一种设备与材料并不可行1.13. 在半导体制造业上游以科技为本是兵家必争之地比的是十年磨一剑的底蕴1.13.1. 在中上游确立领袖地位的IBM轻而易举地在产业下游获取了巨大利益1.14. 1997年IBM提出铜互连技术1.14.1. 铜和铝同为金属晶体材料1.14.2. 在宏观世界中铜制作金属层的优势远远超过铝1.14.3. 与铝相比铜的电阻率更低连线功耗更低传输延时更短分布电容更小电迁移特性更高1.14.4. 大自然有118种元素可以结合成3000多万种物质在这些物质中有条件成为铜金属阻挡层的有几百种材料1.14.5. 铜互连技术是半导体材料科学的一次重要微创新1.14.5.1. 在材料领域任何一项微不足道的创新均需要经历漫长的过程。实验室的偶然成功仅仅是第一步之后还有小试、中试与大规模生产在其中任何一个环节出现问题都需要回溯至上一个阶段甚至回归到实验室阶段1.14.6. 铜互连技术非常幸运顺利通过了实验室、小试、中试与大规模生产这些必要环节成为迄今为止半导体金属层连线的不二之选1.15. IBM推出铜互连技术的同时提出Low-K介质填充技术1.15.1. 金属层数的不断增加使得层间电容持续提高1.15.2. 降低电容的有效方法是选择介电常数低的填充材料一般称为Low-K材料1.16. IBM在半导体制作领域取得的这些成就持续推动着集成电路沿着摩尔定律的道路前行2. 半导体测试设备2.1. 最早出现的商用半导体设备不是光刻设备而是半导体测试设备2.2. 1961年Teradyne公司在波士顿成立后不久发布了一款基于计算机的自动测试系统(Automatic Test EquipmentATE)2.3. 直到今日Teradyne依然是ATE设备的主要提供商2.4. 1967年Applied Materials成立开始为半导体制作工厂提供设备2.5. 检测设备的重要性不亚于生产设备由三大类组成分别为量测(Metrology)、缺陷检测(Defect Inspection)和测试(Test)设备组成分别简称为“量”“检”与“测”2.6. 在“量检测”设备中“量”与“检”设备的技术含量最高其使用贯穿于晶圆厂流水线的始末监控集成电路制作的全流程2.7. 与“测”相关的设备用于晶圆制作后期与封装测试厂检查生产出的集成电路是否满足设计需求2.8. “量”相关设备与半导体材料的计量学相关用于测量制作过程的各种参数包括电阻率、应力、掺杂浓度、膜厚、关键尺寸与套刻精度等2.8.1. 不能准确量测各类参数就无法控制每道工序的执行结果这就是“量”存在的意义2.9. 在现代集成电路的制作中“量检”设备的重要性容易被忽略甚至与测试设备混淆2.10. “量检”设备基于量子力学的光谱分析与隧穿效应原理实现难度远超过测试设备3. 等离子体3.1. 1920年诺贝尔化学奖得主美国科学家欧文·朗缪尔在研究灯丝中带电粒子的发射过程中第一次观测到这个变幻莫测的等离子体世界3.2. 物质常见的三种状态是固、液与气态等离子体是物质的第4种状态3.2.1. 在人类能够生存的优越环境中不存在等离子体3.2.2. 在浩瀚的宇宙中超过99%的可见物质处于等离子态地球不过是一个非常另类的存在3.2.3. 天然等离子体存在于太阳核心、日冕、太阳风以及自然界中的闪电、火焰与极光等环境中3.2.4. 通过加热可以进行固、液、气与等离子态之间的转换3.3. 在等离子环境中物质构成与地球大不相同3.3.1. 在温度高达15000000K的太阳核心物质的外层电子容易脱离原子核的束缚成为自由电子失去电子的原子成为离子从而形成带正电、负电的离子以及没有失去电子的粒子3.3.2. 等离子体由正负离子与没有失去电子的粒子组成3.4. 并不是所有由正离子、负离子与中性粒子组成的系统即为等离子体系统3.5. 等离子体具有严格的判据包括“等离子体近似”“多粒子参与的群体相互作用”等条件3.6. 等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体两大类3.6.1. 高温等离子体的温度甚至可以高达1亿摄氏度3.6.2. 低温等离子体的温度可以为室温3.6.2.1. 在低温等离子体中电子温度可以高达上万摄氏度但是离子温度并不高从而整个系统的温度较低4. 加减法设备4.1. 集成电路的制作需要不断添加或者去除材料4.2. 生产设备以光刻为中心在集成电路制作过程中光刻占据40%50%的时间其他工序围绕光刻进行4.3. 在集成电路的生产设备中加减法设备的技术含量相对较高4.3.1. 减法设备主要由刻蚀与抛光设备组成4.3.2. 加法设备主要由沉积、外延与掺杂设备组成4.4. 刻蚀设备是最重要的减法设备4.4.1. 由湿法与干法两类组成4.4.2. 湿法刻蚀采用酸性溶剂进行减法操作例如磷酸和氢氟酸可以分别溶解氮化硅与二氧化硅层4.4.3. 1968年美国Signetics公司的Stephen Irving发明干法刻蚀用于去除光刻胶4.4.3.1. 各向异性干法刻蚀的优势是“指哪打哪”容易控制与湿法刻蚀相比不会造成额外的破坏其优势主要来自于等离子体(Plasma)的使用4.5. 在集成电路制作中反应离子刻蚀法(Reactive Ion EtchingRIE)使用低温等离子体进行刻蚀4.6. 以干法刻蚀常用的CF4材料为例当高速电子撞击CF4分子时将发生电离(Ionization)、分裂(Dissociation)、激发(Excitation)与弛豫(Relaxation)这4个主要过程以形成稳定的等离子体4.6.1. 干法刻蚀中等离子体中的电子容易吸附在刻蚀机中的阴极与阳极上并使其带负电从而使两个电极附近的等离子体呈正电4.7. 在刻蚀领域华人具有优越的基因4.7.1. 干法刻蚀领域居世界之巅的泛林科技其“林”字源自出生于中国广州的林杰屏4.7.2. 曾经在Applied Materials工作的王宁国博士也对这个领域有着突出贡献4.7.3. 中国半导体设备领域整体处于弱势但刻蚀设备与世界最高水平的差距却是最小的4.8. 干法刻蚀之外低温等离子体还是等离子增强气相沉积(Plasma-Enhanced Chemical Vapor DepositionPECVD)的制作基础4.9. 化学气相沉积(Chemical Vapor DepositionCVD)是常用的半导体加法设备其原理是使用几种气相化合物或者气体单质与半导体衬底表面进行化学反应在其上生成薄膜的一种制作方法4.10. 与化学气相沉积对应的还有一种重要的加法设备即物理气相沉积(Physical Vapor DepositionPVD)4.11. 离子注入与扩散是另外一种重要的加法操作多用于掺杂4.11.1. 离子注入的缺点是在掺杂过程中将造成晶格的表面损伤4.11.2. 为此在离子注入之后需要进行退火激活注入杂质还原载流子电性能并修复晶格4.12. CMP技术最早用于镜头制作包括显微镜头、军事望远镜等领域4.12.1. 1983年IBM引入CMP技术优化集成电路后道工序中金属层的制作4.12.2. 20世纪90年代CMP设备开始在前道工序中大规模普及用于抛光浅沟槽隔离、电介层、多晶硅等多个环节4.12.3. CMP技术是实现铜互连技术的重要基础其实现原理基于化学反应和机械动力并由研磨机、研磨液、研磨垫、抛光终点量测、CMP后清洗等一系列辅助设备协同实现4.13. 在集成电路的制作过程中最重要的设备无疑是光刻机“量检”设备在重要程度上可以排在第二档4.13.1. 在晶圆厂中集成电路的制作以光刻机为大脑加减法设备为四肢检测设备作为双眼最终实现