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1、1.1发展基础：半导体产业的发展基础是20世纪上半叶的真空管电子学、无线电通信、机械制表机和固体物理。放大电子信号的三极真空管是由Lee De Forest于1906年发明的，三极管由三个部件构成，在一个抽空气体的玻璃容器中分别封入两个电极和一个栅极。为了使部件不被烧毁，同时还要保证电子能够在电极间传输，必须用真空。Forest申请了专利并将他的真空管发明命名为音频管。因为他认为这项发明对于声音的放大和再生有一些潜力。后期真空管已经变成现代收音机、电视机以及整个电子学领域的主要电子器件，一直延续到20世纪50年代。人类对于数据计算一直有着坚持不懈的追求，第一台真正的计算机是著名科学家帕斯卡（B
2、.Pascal）发明的机械计算机。帕斯卡1623年出生在法国一位数学家家庭，他三岁丧母，由担任着税务官的父亲拉扯他长大成人。从小，他就显示出对科学研究浓厚的兴趣。19岁那年，他发明了人类有史以来第一台机械计算机。帕斯卡的计算机是一种系列齿轮组成的装置，外形像一个长方盒子，用儿童玩具那种钥匙旋紧发条后才能转动，只能够做加法和减法。然而，即使只做加法，也有个“逢十进一”的进位问题。聪明的帕斯卡采用了一种小爪子式的棘轮装置。当定位齿轮朝9转动时，棘爪便逐渐升高；一旦齿轮转到0，棘爪就“咔嚓”一声跌落下来，推动十位数的齿轮前进一档。1890 年:美国人口普查部门希望能得到一台机器帮助提高普查效率。赫尔
3、曼.霍尔瑞斯借鉴前人的发明，用穿孔卡片存储数据，并设计了机器。结果仅用6 周就得出了准确的人口统计数据（如果用人工方法，大概要花10 年时间）。1896 年:Herman Hollerith 创办了IBM 公司的前身。在第二次大战期间由宾夕法尼亚大学将真空管用于第一台电子计算机ENIAC（电子数字积分与计算器）。ENIAC重达50吨，占地300平方米，需要19000只真空管，并使用相当于160个灯塔的电量。那个时代的真空管不但昂贵而且不稳定。运行的要求是严格控制电流和电压在一个小范围内，以降低真空管的损坏率，并连接小灯泡在面板上，以便快速找出不良的管子。ENIAC除了体积大之外，它的主要缺点就
4、是可靠性差以及耗电量大，由于真空管会烧毁，因此寿命有限，为了迎合迅速发展的电子市场的需求，需要体积更小，耗电更省以及可靠性更高的电子器件。二战后，贝尔电话实验室的科学家一致努力研究固态硅和锗半导体晶体的特性。当代的半导体产业是伴随着1947年12月在贝尔电话实验室的固态晶体管的发明而诞生的，晶体管提供了真空管同样的电功能，同时具有尺寸小、无真空、可靠、重量轻、发热小和功耗低等优点。发明这种器件的三名科学家被授予1956年的物理学诺贝尔奖。这一发明开启了以固体材料和技术为基础的现代半导体产业。1.2 集成电路诞生：半导体这一名称的来源由于半导体材料有时是电的导体有时是非导体。半导体产业迈进的重要
5、一步是将多个电子元件集成在一个硅衬底上。被称为集成电路或简称IC。它是由1958年仙童半导体公司的罗伯特.诺伊斯和德州仪器公司的杰克.基尔比分别独立发明的。在一块集成电路上可以制造许多不同的半导体器件，如晶体管、二极管、电阻和电容，它们被连成一个有确定功能的电路。在一片硅片上芯片数的不同取决与产品的类型和每个芯片的尺寸，芯片尺寸改变取决于在一个芯片集成的水平。芯片的直径多年来一直在增大，从最初不到1英寸到现在常用的12英寸，正向18英寸进行转变。如果一片硅片上有更多的芯片，制造集成电路的成本就会大幅度降低。从IC产品技术档次来看，硅圆片尺寸越大、芯片加工线宽越小，它的技术水平就越高。因为加工线
6、宽越小、存储电路容量越大。但是对于更多类的电路而言，不同加工线宽的设计、工艺水平对应不同的产品门类。6英寸线主要对应于加工1.20.35微米的产品，8英寸线对应于加工0.50.13微米的产品。12英寸线对应加工0.13微米10纳米的产品。目前18英寸设备及工艺已在研发之中，预计在2018年左右会投入少量生产。1.3 摩尔定理：1964年，半导体产业的先驱者和英特尔公司的创始人戈登摩尔预言一块芯片上的晶体管数量大约每隔一年会翻一翻，后来在1975年被修正为每18个月翻一番，这就是业界著名的摩尔定律。对摩尔定律的关键贡献是加工硅片的能力通过减少器件的特征尺寸以及每一代新产品增加芯片上晶体管数量来实
7、现的。多年来摩尔定理一直精确的验证的集成电路产业的发展，并为产业的发展指明方向。很少有其他的产业能在这么多年一直延续着这个标准。也带来集成电路产业惊人的发展。伴随着集成电路产业的发展，提高芯片性能、提高芯片可靠性和降低芯片成本一直是产业追求的目标。不过近期业内都在谈论后摩尔时代，2010年，国际半导体技术发展路线图 ITRS）发现集成电路晶体管数量增长放缓的证据，并预计从2010年开始将需要3年时间（即到2013年底）晶体管数量才能增加一倍。摩尔定律所预言的集成电路晶体管增长速度已经放缓，因为它总是和经济发展情况相关。1.4 发展现状：以微处理器为例，1971年，英特尔公司推出了世界上第一款微
8、处理器4004，这是第一个可用于微型计算机的四位微处理器，它包含2300个晶体管。随后英特尔又推出了8008，由于运算性能很差，其市场反应十分不理想。1974年，8008发展成8080,成为第二代微处理器。8080作为代替电子逻辑电路的器件被用于各种应用电路和设备中，之后又出现286，384，486，奔腾等多种微处理器。目前市场上主流英特尔Haswell处理器，具有四核心、GT3e核显加缓存。处理器260平方毫米、缓存77平方毫米。处理器本身集成了大约17亿个晶体管，但缓存用了多少目前尚未公开。苹果的iPhone 6使用了全新的A8处理器，这是继A7之后苹果第二款64位处理器，使用了TSMC的
9、20nm工艺。A8处理器的晶体管数量高达20亿，是A7的两倍，而核心面积比102mm2的A7还缩小了13%，A8晶体管密度比Intel 22nm 3D晶体管工艺的Haswell处理器还要高。体现了更低的耗电、更快的速度和更多的功能。2.1 工艺流程从整个集成电路的产业链来讲，首先是用户的需求通过IC设计，包括逻辑设计，电路设计和图形设计，之后用于集成电路的芯片制造。集成电路的芯片制造又称为前工序制造，这主要为了和后工序的封装测试区分。前工序包括光刻、刻蚀、离子注入、化学汽相淀积、金属化、氧化扩散等工序进行多次重复加工，右侧的图形是加工后的芯片的剖面，可以看到最底层的是最核心的晶体管部分，上面多
10、层都是金属互联部分，以形成引线。最上层是和外界电路相联系的焊球。先进的逻辑电路芯片会有高达50多次的光刻。2.2前工序流程集成电路的基础是以二氧化硅形式存在的硅元素，而沙子中富含二氧化硅。制造集成电路需要高纯度的硅原料，因此必须对沙子中的二氧化硅进行多次提炼，才能得到电子级的硅。它的纯净度要达到在每10亿个原子中只能有1个杂质原子。通过对硅熔体进行提纯，可以得到大晶体，最后产生单晶硅制造硅锭。一个硅锭大概有100公斤，纯度达到99.9999%。圆柱形的硅锭被切割成单个硅晶片，由于其形状为圆形，通常被称为晶圆。经过抛光后，晶圆表面会如镜面般洁净平整，在上面就可以进行芯片的制造。目前主流的工艺都是
11、用直径为12英寸的晶圆，单个芯片的成本由此大幅度降低。图中蓝色部分就是在晶圆旋转过程中涂上的光刻胶图层，类似电影胶片的制作，旋转晶圆的原因是这样可使光刻胶涂敷的非常薄且均匀。光刻胶层随机被曝光在紫外线之下，并变成可溶的物质。这个步骤的关键是掩模，它类似于蚀刻时用的模具，通过紫外线，掩模会在芯片的每一层形成各种各样的电路图案。由于光学上的需要，此段制程的照明采用偏黄色的可见光。因此俗称此区为黄光区。曝光后，大部分光刻胶会被溶剂溶解掉，掩模留下的光刻胶图案就显现出来了。干式蚀刻（又称为等离子蚀刻）是目前最常用的蚀刻方式，其以气体作为主要的蚀刻媒介，并藉由等离子能量来驱动反应。等离子体对蚀刻制程有物
12、理性与化学性两方面的影响。首先，等离子体会将蚀刻气体分子分解，产生能够快速蚀去材料的高活性分子。此外，等离子也会把这些化学成份离子化，使其带有电荷。晶圆系置于带负电的阴极之上，因此当带正电荷的离子被阴极吸引并加速向阴极方向前进时，会以垂直角度撞击到晶圆表面来获得绝佳的垂直蚀刻。湿法清洗是利用溶剂、各种酸碱、表面活性剂和水，通过腐蚀、溶解、化学反应转入溶液和冷热冲洗等方法去除晶片表面的沾污物，每次使用化学试剂后都应用超纯水清洗，以去除化学试剂的残留物。离子注入是制程工艺中掺杂的一种形式，通过各种化学杂质轰击硅晶圆表面的曝光区域，来改变相应区域内硅导电的方式，形成晶体管。离子注入技术可将掺杂以离子
13、型态植入半导体组件的特定区域上，以获得精确的电子特性。这些离子必须先被加速至具有足够能量与速度，以穿透（植入）薄膜，到达预定的注入深度。离子注入制程可对注入区内的掺质浓度加以精密控制。基本上，此掺质浓度（剂量）系由离子束电流（离子束内之总离子数）与扫瞄率（晶圆通过离子束之次数）来控制，而离子注入之深度则由离子束能量之大小来决定。2.3 前工序流程晶体管形成后，在绝缘层上刻蚀出三个孔，并填充铜，以实现和其他晶体管的连接。接下来，晶圆被放入硫酸铜的溶液中，通过电镀将铜离子沉积到晶体管上。铜离子会沉积在晶圆表面形成一个薄薄的铜层。然后打磨掉多余的材料。为了把不同的晶体管连接起来，还需要创建多个金属层
14、。芯片的表面看上去异常平滑，实际上可能包含20或更多层复杂的电路，在放大镜下才能看到错综复杂的电路和晶体管网络，像多层的高速公路系统。接着要对晶圆进行良品测试，将各种不同的测试模式输入到每个芯片，然后检测芯片的输出，进行对比。2.4 后工序流程划片目的为将前工序加工完成后晶圆上一颗颗晶粒（die）切割分离。在进行芯片切割前，首先必须进行晶圆黏片，而后再送至芯片切割机上进行切割。切割完后之晶粒井然有序排列于胶带上，粘片之目将一颗颗晶粒置于导线架上并以银胶（epoxy）黏着固定。粘片完成后之导线架则经由传输设备送至片匣内，以送至下一制程进行焊线。焊线乃是将晶粒上的接点以极细的金线（1850m）连接
15、到导线架之内引脚，进而藉此将IC晶粒之电路讯号传输至外界。塑封的主要目的为防止湿气由外部侵入、以机械方式支持导线、内部产生热量之去除及提供能够手持之形体。其过程为将导线架置于框架上并预热，再将框架置于压模机上的构装模上，再以树脂充填并待硬化。电镀是将集成电路的引线脚镀锡,以增加可焊性。由于电镀的废液会污染环境，不少新的工艺已取消电镀工序。最后根据需要电路会封装成多种形式。芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等。70年代流行的是双列直插封装，简称DIP。DIP封装结构具有以下特点:1.适合PCB的穿孔安装;2.比TO型封装（图1）易于对PCB布线;3.操作方便。80年代出现了芯片载体封装，其中有陶瓷无引线芯片载体LCCC、塑料有引线芯片载体PLCC、小尺寸封装SOP、塑料四边引出扁平封装PQFP，1.适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线;2.封装外
