如何制造半导体

上文讲述了精密加工技术对半导体的重要性。但是，半导体并不是仅靠精密加工技术就可以制造的。

制造半导体需要以下3个技术阶段：

①组件技术；

②集成技术；

③批量生产技术。

不断有学者及记者宣称“半导体（特别是DRAM）只要买来最先进的生产设备排成一排，按下按钮，每个人都可以轻松制造”。确实，如果去批量生产DRAM的工厂参观，就可以看到数百台生产设备整齐排列，操作人员按下按钮的情形。此外，技术水平的提高使得生产设备实现一体化也是不争的事实。

但是，仅仅靠购买生产设备，组装后按下按钮是制造不出任何半导体（DRAM亦是）的。因为在半导体制造过程中，还运用了很多集成技术等人眼无法看到的技术。

接下来我们就以DRAM为例，说明分3个阶段进行的半导体制造技术。

1.组件技术

构成半导体制造工序的最小单位的工艺技术就是组件技术。具体来说，有以下技术：在硅片上形成薄膜的成膜技术，在其薄膜上形成抗蚀剂掩膜的光刻技术，按照抗蚀剂掩膜进行加工的蚀刻技术，加工后除去残渣及颗粒（异物）的清洁技术，测定加工后的图形尺寸以及检测是否有缺陷等的检测技术，等等。

我们将光刻技术与蚀刻技术共同称为精密加工技术。此外，还有CMP（chemical mechanical polishing，化学机械抛光）技术、离子注入技术、热处理技术，等等。

简而言之，半导体是在25～30次地反复进行“成膜→光刻→蚀刻→清洁→检测”这一循环后，通过在硅片上形成三维结构而制造出来的。

顺便一提，我曾在日立、尔必达和Selete负责研发蚀刻技术。蚀刻技术又分为使用药解的湿法蚀刻（wet etching）和使用等离子的干法蚀刻（dry etching）。目前主要使用后者。因此后来提到蚀刻技术一般是指干法蚀刻。

2.集成技术

结合组件技术，将半导体植入硅片，构建这一工艺流程的技术就是集成技术。譬如在生产DRAM时，要制定500道以上的工艺流程。该工艺流程首先在开发中心制定。制定的工艺流程必须是可实际生产的，在晶圆上至少能制造出一个这样的DRAM，该DRAM必须满足半导体的电流电压特征、运行速度、功耗等性能规格，且能完全运行。

在制定工艺流程阶段，其组件技术的组合方法是无限的。即使是制造同样集成度、同样精密度的DRAM，不同半导体厂家采取的方式也各不相同。此外，不同的集成技术人员的工艺流程构建方式也会不同。

集成技术的难度在于，如何在短时间内完成从无限的组件技术组合中，制定低成本、满足规格且完全运行的DRAM工艺流程。

半导体厂商的集成技术人员的作用相当于乐队指挥。我们来想象一下某管弦乐队要演奏柴可夫斯基作曲的《天鹅湖》的情景。

首先编曲者需要想象该乐队在什么样的场合演奏，如何演奏，然后在原曲基础上进行编曲。而乐队指挥在此基础上，通过指挥管弦乐队的小提琴手、长笛手、长号手等各乐器演奏者，最终奏出交响乐。

与此如出一辙，生产由英特尔发明其基本原理的DRAM时，在各半导体厂家的设计部，譬如设计用于PC的DRAM，集成技术人员根据设计结果制定其工艺流程。并且，集成技术人员根据工艺流程，指挥成膜、光刻、蚀刻、清洗、检查等组件的技术人员进行生产，以制造满足规格并完全运行的DRAM。

当然，根据最初制定的工艺流程制造出的DRAM无法运行，这对技术人员来说都不是什么新鲜事。这样一来，为了制造出至少一个能完全运行的DRAM，技术人员需要不断地变更工艺流程。

工艺流程的制定方法以及组件技术的指挥方法因半导体厂家而异，或者说因集成技术人员而异。世界上有一流的乐队指挥，亦有滥竽充数者。同样，集成技术人员的水平也是良莠不齐。

3.批量生产技术

将研发中心通过集成技术构筑的工艺流程移交给批量生产工厂，在硅片上植入符合目标质量要求的半导体并进行大量生产的技术就是批量生产技术。

批量生产移交的方法有精确复制和基本复制两种。如果研发中心和批量生产工厂的设备属于同一机种，一般会直接复制工艺条件，这就是精确复制。但是如果两者设备不同，为得到相同的工艺结果，就必须调整工艺条件，这就是基本复制。毋庸置疑，精确复制要比基本复制更容易进行批量生产。

但其实真正严格意义上的精确复制基本是不可能的。也就是说，即使研发中心和批量生产工厂的设备相同，在同样的工艺条件下也未必能够得到同样的结果。坦率地说，一般情况下难以得到相同的结果。

这是因为即使是同样的设备，两台机器之间也会存在微小的性能差异。这种差异称作机差。机差可以说是半导体制造设备厂家在生产同一型号的设备时，因不可控因素的存在而可能产生的设备差异。随着半导体精密化程度的不断提高，机差问题也日益显著。

也就是说，随着精密化程度的提升，需要实施高精度的加工，此前生产过程中不会成为问题的微小的机差都成了严重的问题。

有人说美国英特尔将精确复制发挥到了极致。

据说，英特尔要求位于爱尔兰、以色列以及美国的12英寸 晶圆批量生产工厂不仅要统一制造设备的类型、型号，就连每一根管道的规格都要严格统一。此外，它还制定了设备维修、维护检查细节等详细指南，要求上述三个工厂严格按照操作指南执行作业。

即便如此，上述三个工厂产品的成品率还是有差异。其根本原因还是在于设备的机差。

在批量生产技术方面，成品率具有重大意义。成品率就是植入硅片的半导体成品中合格产品所占比率。一般来说，刚从开发中心将工艺流程转移到批量生产工厂的阶段，批量生产工厂的成品率几乎是0%。

而将成品率尽快提高到接近100%，并且长期维持接近100%的成品率的技术，才是真正的批量生产技术。 AcI6T0sUCT9qDWrb0J79WoBiolikS1qhmD1Qa3wXp2ne6ltFIvsvwBKWmePC3fC4