小而强大的半导体

小而强大的半导体已经成为我们的高科技世界不可分割的一部分。俗称微芯片或集成电路(ic),半导体是受雇于一个不断越来越多的商业、工业和消费产品。很短的采样半导体使用包括:

• 个人电子设备,例如智能手表、电脑和平板电脑和手机
• 家用电器等产品,LED灯泡,加热/冷却设备和电视app亚博体育
• 工业和商业产品,如光学传感器、激光、医疗诊断设备、太阳能电池、工业机械和交通信号灯app亚博体育

产品购买的客户驱动的大部分半导体如表1中演示的需求。

表1。百分比的半导体需求使用,2019年结束¹。来源:PerkinElmer

通信	33.0%
PC /计算机	28.5%
工业	11.9%
消费电子产品	13.3%
汽车	12.2%
政府	1.3%(包括军队)

一个共同因素是通过所有这些不同的半导体应用程序:电气性能取决于应用程序的需求。半导体材料有一个中间的导电性,因此,“半”前缀。

材料由单个元素,通常硅,或混合的元素,例如,磷化铟(InP)、砷化镓(砷化镓)和许多其他人。

元素硅是半导体物质最常见的利用。硅是一种储量丰富的资源,因为它存在于地壳的四分之一。

发现在岩石、土壤和沙子在复合铝、镁和氧气。必须从化合物中提取和纯化硅99.999999999%供生产使用。

图1所示。集成电路制造从硅砂锭与电路晶片。图片来源:PerkinElmer

材料的导电性可以修改通过添加少量的杂质。这个过程的术语是“兴奋剂”,它可以显著提高半导体的导电率。

硅的电导率也根据环境温度变化,造成较高的电导率较高的温度。

巨大的各种半导体端使用点头的巨大行业对全球经济的影响。2019年,全球半导体销售额达到了4123亿美元。2020年,国际半导体产业销售额预计将达到4330亿美元。¹

2020年4月全球半导体销售额344亿美元,从2020年3月销售下降了1.2%,但在2019年4月销售增长6.1%。这些早期的2020年销售建议从新型冠状病毒大流行到目前为止影响最小。²

半导体制造的电子设备的买家在全球范围内,与亚太地区最大的股票购买:app亚博体育¹

• 中国亚太62.5% (35.0%)
• 美洲19.1%
• 欧洲9.7%
• 日本8.7%

半导体生产

制造和设计是半导体生产的两个主要阶段。

程公司术语仅用于公司,专注于设计。公司专注于制造被称为铸造厂。集成设备制造商(IDMs)是专门从事设计和制造的公司。

摘要半导体生产过程包括:

原料处理

• 提取的硅原料
• 净化
• 圆柱锭的形成,从一个几乎18英寸(450毫米)直径高达200英镑

研究与开发(R&D)

• 过程工程
• 半导体设计
• 原料和制造材料的选择亚博网站下载
• 设计质量控制(QC)计划

空白晶片生产

• 切片1毫米厚的锭到光盘或“空白晶片”

• 如果需要晶圆直径是改变

晶片处理

• 几层的布线和晶体管晶片表面上创建一个重复的过程

• 步骤涉及氧化扩散、清洗、光刻胶图案,沉积,离子注入,蚀刻

切片

• 半导体晶片切成单独的单位被称为死亡

• 包装的半导体芯片
• 每完成芯片和封装在一个保护住房

这些主要流程是由400年到600年复杂的步骤,通常在一到两个月完成。

挑战

半导体行业有特别的要求,高效和成功生产面临着不同的挑战。

检测Ultra-trace杂质水平

消费者继续影响电子设备的需求,更轻和更小的而不影响可靠性和速度。这种需求创建一个等价的需要更轻和更小的半导体可靠和快速。

制造商所面临的问题是,半导体越小,越暴露微粒和化学污染物的干涉。半导体制造商需要能够检测ultra-trace制造过程中污染物的含量。

它不再足以检测化学污染物在兆分之(ppt)水平-每千的五次方(ppq)检测现在必须达到极限。微粒的检测必须达到纳米尺寸或更少。

每个材料的纯度水平需要利用晶片包装必须定义和制造研发团队:

• 提供空白硅锭和硅片
• 例如,精细化工基地、溶剂和酸
• 超纯水
• 专业和惰性气体
• 包装材料,例如,树脂亚博网站下载、聚合物、焊料、染料、芯片焊接材料和成型化合物
• Circuit-building 亚博网站下载CMP浆等材料溅射靶和光刻胶材料

研发发现分析工具,可以达到所需的超低检测限制可能每个材料的杂质。分析和抽样测试和开发的工作流。一旦批准,这些部署进程内测试和材料接收。亚博网站下载

维护生产效率

有几个物理缺陷或污染物的机会接触到晶片经过加工的过程。这些问题可以使生产效率低,或者更糟的是,可能会导致产品故障或生产延误。

是很重要的一个广泛的过程质量控制程序可以创建、部署和维护。项目的目的是识别任何问题尽可能在工作流的早期避免下游浪费材料和时间的问题。亚博网站下载

研发团队定义了下游工序的标准,包括在生产工作流程的设计。过程控制管理器与研发团队在整个设计阶段,然后执行和遵守质量控制程序。

重要的监视点,参数和材料生产过程中:亚博网站下载

空白晶片生产

• 识别残余颗粒和物理盘抛光后畸形和锭切片

洁净室空气

• 空气分子污染物(资产管理公司),例如,挥发性和挥发性有机化合物(SVOCs,挥发性有机化合物的仪器),酸和碱、阴离子和金属

• 空气质量的湿度和温度等参数
• 空气中的颗粒物

超纯水

• 污染物如阳离子和阴离子,挥发性有机化合物的仪器,SVOCs硅酸盐、金属、总有机碳(TOC)和金属

电路形成材料亚博网站下载

• 有机和无机分子、酸和碱和离子

进程内质检监控必须几乎不断,提供实时的识别规范或污染物的失败是完全有效的维护生产效率。

错误率可以减少由于手工采样高度自动化、和集成在线监测网络允许提示数据报告和一个有效的转变。

图2。电路形成过程的步骤是重复的建立一个多层集成电路。图片来源:PerkinElmer

法规遵从性

半导体制造商必须坚持遵守当地、州和国家监管要求。几乎普遍的法规遵循需求概述。

允许

许可从国家、州和/或当地监管机构所要求的设备,使用的材料是被列为危险为了存储、获取和使用这些材料。亚博网站下载

许可证轮廓的数量和类型的材料设备可以存储、获取和使用的过程。亚博网站下载它还规定记录、报告和监测指南允许。

半导体生产操作,允许空气也是必需的。许可证要求将依赖于设备的位置和内容的空气排放。

空气许可定义报告、监测和记录要求维持许可证。

员工的健康和安全

在半导体生产,雇佣有能力释放某些化学物质的颗粒物质,挥发性有机化合物的仪器和SVOCs室内空气的设备。

监测项目和暴露预防协议要求制造商,以确保符合监管标准创建的保护员工的健康。

一些成功的健康和安全程序的元素:

• 要监视的目标参数
• 个人防护装备(PPE)的要求app亚博体育
• 分析灵敏度的要求
• 分析和抽样计划和安抚
• 监管报告指南,时间表和手段
• 补救行动方案
• 记录程序
• 进一步的regulatory-specific需求

一个设计良好的,广泛的健康和安全程序提高了员工的健康和安全,使设施避免昂贵的监管处罚。

废物管理

各类生产设施创建过程废水废物和额外的过程。设备定义的流程和材料使用这些和其他废亚博网站下载物流的内容创建的半导体制造商。

许可和定期分析和抽样需要放电过程废水处理设施。处理设施将定义的标准报告,测试和内容限制。

替代过程废物可以包括被污染的或不合格的材料。亚博网站下载特征、运输和存储的废物应坚持国家、州和地方的要求。

如果任何废物列为危险,可能需要特别许可证。

废物处理和处置设施需要分析数据对每个单独的废物流的内容,以确保他们接受浪费符合营业许可证的要求。

减少环境影响

与所有制造商、半导体生产商必须评估其业务的环境后果。

考虑环境影响的设施可以增加一个操作的可持续性,帮助控制成本并满足废物处理和排放的监管标准。

帮助机构实现这些目标,一些实际的步骤是:

• 优化过程控制来减少空气排放和废物的产生。这也可以提高生产效率和管理成本。
• 利用研发流程来减少可能的使用有毒物质在生产过程和最终产品。亚博网站下载这可以减少废物处理成本和额外的许可证或压缩性的许可规则要求。
• 采用研发努力加强在电子废弃物的再循环能力组件。这可以增加操作的可持续性。

取决于数量的外部存储设备或操作,可能需要雨水污染防治计划。计划包括分析和抽样程序雨水排放、记录和报告准则和补救行动计划。

趋势

有许多趋势发展的半导体生产、设计和使用。有些是快速推进,逐渐和其他发展更多。这里列出一些讨论的更频繁的趋势。

小型集成电路

研发继续快速发展速度进一步降低半导体的大小。

行业先进的10μm技术1970年代早期现代7纳米芯片,和行业领导者的目标产生更小的芯片:5 nm, 3 nm和较小。

目前,7纳米集成电路主要是使用,5纳米集成电路生产,3 nm ICs在发展。

两个主要的优先级为3纳米和更小的芯片是减少能源使用,同时提高性能。研发团队正努力实现这些目标,在某种程度上,从finFET到GAAFET技术。

芯片减少到3 nm和较小的尺寸,制造商还需要新颖的沉积方法和设备,光刻,QC分析和腐蚀。app亚博体育^3、4

专业设计师和独立的铸造厂

运动不断向更专业芯片设计公司,和越来越多的科技企业是生产他们自己的芯片内部。

这些趋势正受到日益增长的需求更特定于应用程序的定制芯片,设计优化算法和软件特定的业务。

独立半导体厂的需求和成功是推动了专业设计和室内设计的趋势。

全球新厂预计支出500亿美元在未来几年。这将是有趣的,看看铸造的增长大部分投资于独立的铸造厂。^5、6、7

人工智能(AI)

由AI系统处理的数据量将继续迅速增加。小说algorithmic-specific芯片继续开发的半导体行业提供人工智能数据所需的处理速度。

物联网(物联网)

物联网系统创建大量的数据,采用实时做出决策。

半导体行业继续扩大研发的新芯片材料、硅光子学和材料,提高物联网数据的稳定性和处理能力。亚博网站下载

自主车辆(AVs)

半导体将继续是一个主要影响的全自动车辆的有效发展。

引用和进一步阅读

1. 半导体产业协会(SIA)。2020 a。2020概况。https://www.semiconductors.org/resources/factbook/。
2. 新航。2020 b。https://www.semiconductors.org/globalsemiconductor -销售-减少- 1 - 2%——月——- monthin april/。6月1日。
3. 半导体工程。2020。芯片制造3海里。https://semiengineering.com/making-chips-at-3nmand-beyond/。4月16日。
4. 汤姆的硬件。2020。三星原型首次3 nm GAAFET半导体。https://www.tomshardware.com/news/samsung-prototypes-first-ever-3nm-gaafet-semiconductor。1月3日。
5. 科尔报告。2020。半导体市场见证最高的增长在未来几年全球2020 - 2026。https://coleofduty.com/news/2020/05/13/semiconductorfoundry -市场- - - - - - -见证- - -增长全球最高的年- 2020 2026/。5月13日。
6. 2020年半导体消化。。由GlobalData半导体技术趋势显示。https://www.semiconductor-digest.com/2020/02/10/technology-trends-in-semiconductors-revealed-by-globaldata/。2月10日。
7. 塔。2019年。半导体产业结构变化产生的新趋势。https://www.technewsworld.com/story/85889.html。3月8日。

这些信息已经采购,审核并改编自PerkinElmer提供的材料。亚博网站下载

在这个来源的更多信息,请访问PerkinElmer。