什么是特種工藝?為何如此重要?

因為摩爾定律的聲名在外，加上過去這些年包括三星、臺積電、Intel和英偉達等公司的推動，科技界甚至終端消費者都對28nm、10nm、7nm和5nm等先進工藝制程有了或多或少的了解。因為這些工藝推動的產(chǎn)品是科技設(shè)備“大腦”的重要構(gòu)成，這些先進工藝受到行業(yè)的一致關(guān)注是無可厚非。

其實在芯片的世界里，不僅有這些廣為人知的先進工藝制程（或者說邏輯制程），還有其他不少鮮為人知但又同樣重要的工藝技術(shù)。而且從某個角度看，正是因為有了這些特種工藝制程的補充，才能制造出多種多樣的芯片，讓整個科技世界變得豐富多彩。特種工藝就是其中最特殊的一個。

什么是特種工藝？

關(guān)于什么是特種工藝，無論在互聯(lián)網(wǎng)還是在百科全書中，都找不到一個官方定義。工程師們也能給出一百種不同的答案。而根據(jù)一位從事特種工藝多年的專家介紹， 那些在行業(yè)上沒有統(tǒng)一的制程規(guī)則或構(gòu)架可遵循的主流制程工藝，或者擁有不同于硅的工藝，我們都可以稱之為特種工藝。

他舉例說到，包括CPU、GPU和存儲芯片在內(nèi)的邏輯芯片，其本質(zhì)都是對0和1的邏輯處理，核心是通過多個晶體管實現(xiàn)。為此，如何在摩爾定律的指導(dǎo)下，于單位面積晶圓上集成更多的晶體管，就成為了生產(chǎn)這些芯片的的晶圓廠追逐的目標(biāo)。換而言之，這些晶圓廠為了實現(xiàn)其目標(biāo)，他們所選擇的路線也非常相似，差別就在于他們?nèi)绾卧谕瑯拥囊?guī)則和衡量標(biāo)準(zhǔn)下，將相關(guān)的數(shù)字改善。如下圖所示，我們很容易地從各個不同的參數(shù)，去衡量這些工藝的水平。

但是，特種工藝所面對的不是成千上萬個簡單的做0和1邏輯處理的開關(guān)晶體管，而是一個完全不同的世界。我們常見的包括PA（功放）、Filter（濾波器）在內(nèi)的射頻器件、MEMS（微機電系統(tǒng)）器件和光電器件，面對的都不是非0即1這個簡單邏輯的物理參數(shù)世界，它們就是用所謂的特種工藝來制造的。在這些工藝中，很多邏輯工藝制程所遵循的規(guī)則，在這里就不適用了。

以一個RF SOI射頻器件開發(fā)為例，其射頻特性不僅僅取決于器件本身，而取決于其外圍匹配和封裝后的整體系統(tǒng)表現(xiàn)，首先需要經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計、工藝分析、電路和版圖設(shè)計、流片加工和裸片評估等過程，之后再結(jié)合封裝分析、封裝設(shè)計和封裝開模，打造出一個封裝好的芯片，然后再經(jīng)過封裝后篩選測試、性能及可靠性驗證，才能最終送樣及設(shè)計定型。

來到RF-SOI，這是一個始于生產(chǎn)一種特殊高電阻率基板的技術(shù)。在襯底中，晶圓與掩埋氧化物層之間夾有trap-rich層。trap-rich層可以恢復(fù)襯底中的高電阻率屬性，從而降低插入損耗并提高系統(tǒng)的線性度。與GaAS等工藝相比，RF-SOI擁有低功耗和易于集成等優(yōu)勢，但在擊穿電壓方面還面臨著挑戰(zhàn)。為此，如何提升其擊穿電壓，以實現(xiàn)更好的線性度和大信號處理能力，就成為開發(fā)者要面對的首要問題，也體現(xiàn)不同RF-SOI工藝供應(yīng)商的價值。

同樣，特種工藝需要在與先進邏輯制程不同的某一專注領(lǐng)域的長期經(jīng)驗和技術(shù)積累，對供應(yīng)商有更多的考量。以MEMS器件為例，在MEMS制造中，工藝尺寸縮小與流程復(fù)用很多時候并不適用，因為其是非標(biāo)準(zhǔn)化的，在加上現(xiàn)在MEMS芯片會與ASIC封裝到一起，這就給相關(guān)開發(fā)者提出了更大的難題。

這也是為什么有些專家說，即使看著別人做，也不知道別人為何能做好某些特種工藝芯片的原因。

特種工藝為何重要？

世界不只是零和一，世界是多樣的，是曲線的，是“模擬的”。如果說大多數(shù)邏輯工藝生產(chǎn)的芯片是解決數(shù)字世界的0和1數(shù)據(jù)處理問題，那么大多數(shù)特種工藝生產(chǎn)的芯片都是為了把模擬的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字世界的數(shù)據(jù)。例如今年年初，因為Covid-19爆發(fā)而帶動的額溫槍需求，背后所需的熱電堆傳感器，就是特種工藝的“結(jié)晶”。以管窺豹，我們就可以洞悉這些工藝為何如此重要。

從市場現(xiàn)狀看來，近年來，隨著5G的到來和物聯(lián)網(wǎng)的繁榮，市場對射頻前端和傳感器等使用特種工藝制造的芯片有了更廣泛的需求。

在射頻前端方面，根據(jù)法國 Yole Development 報告預(yù)測，移動設(shè)備以及 WiFi 連接部分整體射頻前端市場規(guī)模將從2017年的150億美元增長到2023年的350億美元，年復(fù)合增長率達到 14%。其中占射頻前端市場最大份額的濾波器從 2017-2023 年將增長3倍左右，復(fù)合增長率達到 19%；在MEMS傳感器領(lǐng)域，Yole數(shù)據(jù)顯示，這個市場的規(guī)模將從2019年的169.6億美元增長到2024年的185.1億美元。

以上僅為特種工藝芯片的冰山一角，規(guī)模就已經(jīng)這樣巨大，整個市場的規(guī)?？上攵＝?，美國加強了對特種工藝工廠SkyWater的支持，特種工藝的重要性不言而喻。

SkyWater是一家位于明尼蘇達州的半導(dǎo)體代工廠。與臺積電和三星這些在先進工藝上競爭的代工廠不一樣，SkyWater目前最先進的工藝僅為90nm，這主要是因為他們從事的并不是傳統(tǒng)的CMOS工藝。該公司的業(yè)務(wù)主要分兩塊，一部分是抗輻射工藝和相關(guān)IP；另一部分是下一代先進半導(dǎo)體工藝的研究，如碳納米管和超導(dǎo)集成電路。

在美國國防部高級研究計劃局（DARPA）高達15億美元的“電子復(fù)興計劃”（ERI）中，SkyWater在碳納米管研究方面扮演了重要角色。麻省理工學(xué)院（MIT）教授Max Shulaker最近發(fā)表在《自然·電子學(xué)》的一篇探索集成電路未來發(fā)展的論文的主要內(nèi)容是，SkyWater在碳納米管工藝上首次實現(xiàn)了在大規(guī)模碳納米管晶圓上的大規(guī)模加工加速，可以將原來需要幾天的工藝縮短到半小時以內(nèi)，從而大大降低了碳納米管門檻。由這個例子也可以看到特種工藝制程的重要意義。

大陸特種工藝如何突圍？

細看現(xiàn)在的特種工藝IDM或者工廠，做得最好的在中國臺灣和美國、以色列等地。例如在砷化鎵代工方面，中國臺灣的穩(wěn)懋和宏捷科領(lǐng)先全球；在RF-SOI代工方面，以色列的TowerJazz優(yōu)勢明顯；再加上來自美國和歐洲有如Qorvo、Skyworks和博世等一批精于特種工藝的IDM。從這些企業(yè)的市場表現(xiàn)，我們可以看到行業(yè)領(lǐng)頭羊在特種工藝上的巨大優(yōu)勢。

反觀國內(nèi)，過去基本是一片空白，但經(jīng)歷了近些年的發(fā)展，也有一些IDM和代工廠開始在這些領(lǐng)域發(fā)力。與集成電路很多領(lǐng)域一樣，需要有持之以恒的投入和人才供應(yīng)，才能保證本土特種工藝的穩(wěn)健發(fā)展。

期待在不久的將來，我們能看到一批本土特種工藝企業(yè)邁上新臺階。
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