作者：Jody Muelaner

　　半導體是所有現代電子產品、配電和可再生能源發電的核心。半導體產品的范圍從簡單的分立元件(例如晶體管和二極管)到復雜的集成電路或IC。半導體器件通常是組合起來構成數字電路的邏輯門的核心。它們還用于振蕩器、傳感器、模擬放大器、光伏電池、LED、激光器和電源轉換器。行業產品類別包括存儲器、邏輯、模擬 IC、微處理器、分立功率器件和傳感器。

　　圖 1：集成電路和其他半導體產品的生產需要專用設備。 (圖片來源：蓋蒂圖片社)

　　盡管半導體具有關鍵性，但世界上大部分地區都依賴于單一的、因此脆弱的全球供應鏈。這是由于非常顯著的規模經濟，使高度整合的生產更具經濟競爭力。畢竟，半導體制造設施的建造成本高達數十億美元，而且需要非常熟練的員工。

　　圖 2：直線電機、皮帶傳動和微型型材導軌直線導軌只是加工半導體的機械中的一些精密設備。 (圖片來源：蓋蒂圖片社)

　　大多數晶圓廠(代工廠)位于臺灣、日本、中國、美國和德國，并且已經運營了幾十年。然而，超過一半的半導體和超過 90% 的先進半導體是在臺灣制造的，所有主要電子產品制造商都至少在部分半導體制造中使用一家臺灣半導體制造廠。最近的地緣政治緊張局勢使這種依賴的危險成為人們關注的焦點。 2022 年創建有益的半導體生產激勵 (CHIPS) 和科學法案旨在通過激勵運營商和自動化供應商建立和擴大美國半導體生產來解決這個問題。

　　半導體制造現狀

　　大多數材料要么是良好的電導體，例如金屬，要么是絕緣體，例如玻璃。半導體的導電性能介于導體和絕緣體之間;通過稱為摻雜的過程在晶體結構中引入雜質來調節電導率。摻雜電子供體元素可為 n 型半導體提供負電荷。相反，摻雜電子受體元素會為 p 型半導體產生帶正電荷的空穴。單晶內兩個相鄰但不同摻雜的區域形成半導體 pn 結。晶體管可以布置有 NPN 或 PNP 結。

　　硅是迄今為止最常見的半導體材料。常見的n型摻雜劑是磷和砷，而常見的p型摻雜劑是硼和鎵。

　　圖 3：這臺 Jabil Precision Automation Solutions 機器中的六軸機器人執行與自動光罩分類相關的任務，而不會影響封閉的潔凈室環境。 (圖片來源：歐姆龍自動化美洲公司)

　　最先進的半導體制造生產的產品具有 1 到 100 納米之間的納米級特征。由于納米是十億分之一米，固體中單個原子之間的距離在 0.1 到 0.4 納米之間，現代半導體納米結構已經接近材料結構的極限。制造此類產品所涉及的極端精度要求在潔凈室環境中執行流程，并防止地震活動、當地飛機、火車、交通和附近機械的振動。

　　IC制造中最重要的工藝是晶圓生產、光刻和選擇性摻雜——最常見的是離子注入。許多晶圓廠專門從事晶圓制造或涉及光刻和摻雜的后續芯片制造。臺積電 (TSMC) 生產晶圓和芯片;它是唯一一家生產先進的 5 納米和 3 納米芯片的工廠。一些半導體制造商如英特爾和德州儀器擁有自己的晶圓廠，僅依靠臺積電提供其最先進的芯片。然而，許多無晶圓廠制造商(包括 Apple、ARM 和 Nvidia)完全依賴臺積電進行半導體制造。

　　圖 4：GlobalFoundries 最近開始投資 10 億美元，以允許其現有的紐約州工廠每年額外生產 150,000 片晶圓。這一新產能旨在滿足汽車、5G 和物聯網應用對功能豐富的芯片的需求。該設施還將支持安全供應鏈的國家安全要求。 (圖片來源：GlobalFoundries)

　　雖然 AMD 在技術上是無晶圓廠的，但它并不依賴于臺積電，并且之前是自己制造芯片的。 AMD 剝離其制造業務并將其命名為 GlobalFoundries;后者在美國、歐洲和新加坡經營晶圓廠。它的紐約工廠歷來生產低至 14 納米的芯片;即將出現的是 4 納米芯片，然后是 3 納米芯片。

　　考慮具體的芯片制造工藝

　　許多半導體制造采用可擴展的高產工藝，允許在一個步驟中創建數百萬個單獨的特征(甚至納米級特征)?？紤]一些細節。

　　硅晶圓制造：多晶硅塊在部分抽空的氬氣氣氛中熔化，然后使用晶種拉動以生長單晶硅錠——在工藝開始和停止時形成具有頭部和尾部錐體的圓柱體。在此階段可以將一些均勻的摻雜添加到硅樹脂中。

　　圖 5：這里顯示了幾個晶體硅錠和可以從中切出的圓盤。在拉動之后和研磨之前，圓錐體仍然存在于鋼錠上。 (圖片來源：蓋蒂圖片社)

　　接下來，將錠磨成具有精確直徑的塊，并添加一個凹口以指示晶體取向。然后使用線鋸將該塊切成晶片;使用金剛石研磨工具對晶圓進行斜切和研磨;然后通過化學蝕刻、熱處理、拋光以及用超純水和化學品清潔來精制表面光潔度。晶圓在包裝前要檢查其平整度和無顆粒清潔度。

　　圖 6：即使看似熟悉的清潔產品在用于潔凈室環境時也會采用新的形式。 (圖片來源：ACL Staticide Inc.)

　　光刻：電子電路的制造方法是首先在半導體基板上沉積一層金屬導體薄膜，然后使用光刻為電路圖案印刷掩模，然后蝕刻掉剩余的導電層。這些方法最初是為較大的印刷電路開發的，但現在用于 IC 的納米級制造。金屬鰭片以網格圖案印刷，5 納米工藝芯片的鰭片間距約為 20 納米。用于此特定過程的自動化系統通常采用直接驅動技術以及穩定底座和軟件，甚至空氣軸承。

　　圖 7：可以通過電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡研究納米級結構。此處所示的光掩模修復設備可自動進行缺陷檢測和修復驗證，以加快吞吐量。原子力顯微鏡允許以納米精度和埃級精度檢測和修復缺陷和異物。 (圖片來源：Park Systems)

　　薄膜材料沉積：在此過程中，使用真空蒸發、濺射沉積或化學氣相沉積將金屬材料沉積在硅晶片上。

　　圖案化：這是實際的光刻工藝，在此過程中應用掩模以防止在隨后的蝕刻步驟中從選定區域去除金屬層。常見的圖案化工藝包括光刻、電子束光刻和納米壓印光刻。掩模間隙之間的金屬被激光或電子束汽化。

　　蝕刻：化學去除材料層?；瘜W濕蝕刻使用活性液體，例如酸、堿和溶劑，而干蝕刻使用活性氣體。干法刻蝕包括反應離子刻蝕和傳導耦合等離子體刻蝕。在這里，自動化設備控制工藝持續時間和速率——這是將芯片特性保持在公差范圍內的關鍵。

　　離子注入：一旦在硅晶片上創建了電連接網格，就必須通過摻雜硅來創建 NPN 或 PNP 結，從而在結處創建單個晶體管。這是通過在結處引導由摻雜元素組成的離子束來實現的。加速離子束的極高速度使它們穿透材料并將自身嵌入硅晶片的晶格中。在光刻過程中創建的圖案用于精確引導離子注入過程。

　　采用自動化來提供半導體質量

　　許多美國半導體行業目前生產制造設備，而不是自己實際制造半導體。該設備應用了較傳統的機電制造自動化 技術。例如：

　　光刻設備由 Applied Materials 和 ASML 制造。

　　化學氣相沉積設備由 Lam Research 和 Applied Materials 制造。

　　等離子蝕刻設備由 Lam Research、Applied Materials 和 Plasma-Therm 制造。

　　離子注入設備由 Axcelis Technologies 和 Varian Semiconductor Equipment Associates 制造。

　　盡管目前美國的大部分半導體產品都是進口的，但制造的所有階段都在一定程度上在美國境內進行，這包括英特爾、GlobalFoundries、德州儀器等公司的晶圓和芯片制造。

　　用于芯片制造的薄膜材料沉積、光刻圖案化、化學蝕刻和離子注入工藝本質上是可擴展的。它們允許同時創建數百萬個單獨的連接點。因此，制造商正在提高自動化水平，部分原因是為了提高生產率——但現在更多的是為了提高質量。

　　自動化還與化學品、芯片和晶圓處理操作以及使用庫卡機器人等制造商生產的潔凈室機器人有關。后者在減少人為錯誤造成的損失方面發揮著重要作用。

　　圖 8：協作機器人搭載第七軸系統處理硅晶圓(厚度為 40 μm，直徑最大為 300 mm)，因為它們需要經過多達 1,200 步才能變成芯片。 (圖片來源：庫卡機器人)

　　但在半導體制造中，自動化通常更多地涉及數據處理和結果決策的自動化。晶圓廠使用自動化算法進行高級過程控制或APC以及統計過程控制或SPC。這些跟蹤過程變化和由此產生的制造缺陷，通過對制造過程的實時控制來減少。這樣的系統可以使用人工智能和機器學習來識別跟蹤許多過程參數和質量指標的非常大的數據集中的模式。

　　Siemens的思想領袖將 APC 定義為包括各種減少控制變量變化的方法——包括模糊控制、模型預測控制、基于模型的控制、統計模型和神經網絡。此類工業 4.0 技術通常通過集成生態系統實施，例如西門子或施耐德電氣的EcoStruxure(舉兩個例子)為半導體行業提供的生態系統。過程變量可以與機器狀態監測相結合，以進行預測性維護，減少日常生產機器維護，同時避免停機。

　　結論

　　隨著美國采取行動確保具有戰略意義的關鍵半導體在國內生產的競爭力，最先進的自動化將必不可少。執行材料處理的潔凈室機器人是最明顯和可見的自動化實現，但它是實際制造過程的自動化過程控制，可以獲得真正的競爭優勢。從控制硅晶體生長的環境到確保離子注入過程中結處的精確摻雜，納米級 IC 的高效和無缺陷生產取決于對數千個工藝參數的實時控制。

　　最終這將是先進的過程控制，涉及集成工業物聯網傳感器、人工智能算法和其他先進的基于模型的控制方法，這將確保美國半導體行業的競爭力。