計(jì)算機(jī)、晶體管的問(wèn)世，MOSFET的創(chuàng)新與制造技術(shù)

無(wú)可否認(rèn)，不論是半導(dǎo)體技術(shù)還是其產(chǎn)業(yè)本身，都已經(jīng)成為所有市場(chǎng)中最大的產(chǎn)業(yè)之一。全球媒體、企業(yè)和政府也紛紛把目光投向了半導(dǎo)體工廠的下一個(gè)建設(shè)地。而每一次的技術(shù)革新都會(huì)進(jìn)一步增加對(duì)智能設(shè)備的需求，半導(dǎo)體芯片的重要性也隨之變得愈加突顯。

然而，人們對(duì)半導(dǎo)體的變遷史和崛起卻未必同樣熟悉。從家用電器到智能手機(jī)，半導(dǎo)體是驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備不可或缺的元件。本期文章就來(lái)追溯一下這一核心元件的起源，了解一下它是如何成為我們?nèi)粘Ｉ畹闹匾M成部分的。

以下六篇文章將詳細(xì)介紹半導(dǎo)體的特征及工藝：“計(jì)算機(jī)與晶體管（Computers and Transistors）”、“工藝與氧化（Process and Oxidation）”、“光刻（Photolithography）”、“蝕刻（Etching）”、“沉積（Deposition）”和“金屬布線（Metal Wiring）”。這些文章著重于說(shuō)明技術(shù)之間的相關(guān)性。

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人類的欲望 : 計(jì)算機(jī)的誕生

從家庭到職場(chǎng)，人類一直在探索可以將各種場(chǎng)景中的日?；顒?dòng)簡(jiǎn)單化的方案。這也讓技術(shù)設(shè)備的不斷升級(jí)成了創(chuàng)新思想家們（Innovative thinker）一直關(guān)注的焦點(diǎn)。人類的這種欲望促使只能做簡(jiǎn)單運(yùn)算的機(jī)器不斷升級(jí)為更實(shí)用、更精密的設(shè)備。

從古至今，人類從未停止過(guò)發(fā)明機(jī)器的腳步。1871年查爾斯·巴貝奇（Charles Babbage）的分析機(jī)（Analytical Machine）就是最具代表性的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)舉。只要在分析機(jī)（Analytical Machine）插入名為穿孔卡片（Punched card/Punch card）的輸入信息載體，就可以進(jìn)行任何數(shù)學(xué)運(yùn)算：分析機(jī)讀取穿孔卡片的指令后，反復(fù)進(jìn)行各種數(shù)學(xué)運(yùn)算，最后在機(jī)器的另一頭輸出其結(jié)果值。就跟紅白機(jī)（Famicom）的運(yùn)作原理一樣，想玩什么游戲，就插什么游戲卡。

雖然分析機(jī)沒(méi)有最終完成，卻給我們帶來(lái)了啟發(fā)。分析機(jī)具備了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的所有設(shè)計(jì)思想：穿孔卡片和輸出設(shè)備相當(dāng)于現(xiàn)在的存儲(chǔ)器。所以說(shuō)分析機(jī)就是CPU*的雛形。

查爾斯·巴貝奇（Charles Babbage）設(shè)計(jì)的分析機(jī)是用蒸汽作為動(dòng)力源的。簡(jiǎn)言之，就是一臺(tái)用金屬和木材制作存儲(chǔ)器和CPU，并用蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)。可見(jiàn)，從那時(shí)起，人們已經(jīng)開(kāi)始形成有關(guān)計(jì)算機(jī)運(yùn)作原理的初步思想了，但沒(méi)有把計(jì)算機(jī)與“電路”掛鉤。那么，就讓我們來(lái)看看電路是如何成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)核心元件的吧。當(dāng)時(shí)，分析機(jī)的出現(xiàn)并沒(méi)有帶來(lái)石破天驚的震撼，也沒(méi)有被廣泛接受，但如今，以電路為核心的計(jì)算機(jī)卻完全顛覆了世界。

*CPU：全稱為Central Processing Unit，中央處理器，相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的大腦。

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電控計(jì)算機(jī)

以電路為基礎(chǔ)的設(shè)備，比蒸汽、人力和水力驅(qū)動(dòng)更先進(jìn)。因?yàn)樗梢愿?、更高效地控?a target="_blank">信號(hào)。以蒸汽驅(qū)動(dòng)為例，蒸汽必須要達(dá)到一定水平才可以運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)器，除了反應(yīng)速度慢之外，高壓輸送更需要使用厚實(shí)的輸送管，大大降低了功效。為了更形象地說(shuō)明，假設(shè)我們要讓一扇門(mén)的開(kāi)關(guān)受粗繩拉動(dòng)的控制：以蒸汽為動(dòng)力源的話，我們需要拉動(dòng)繩索以打開(kāi)鍋爐閥門(mén)并驅(qū)動(dòng)蒸汽，隨后更要等上一段時(shí)間，待蒸汽到達(dá)能推開(kāi)門(mén)的壓力強(qiáng)度；然而，如果以電力為動(dòng)力，只需一個(gè)按鈕和發(fā)動(dòng)機(jī)就夠了，機(jī)器的體積變小了，還能大大提高功效和反應(yīng)速度。

電的發(fā)現(xiàn)讓人類用電控制計(jì)算機(jī)的想法開(kāi)始萌生，并成為了當(dāng)時(shí)的一大主流思想。很多科學(xué)家開(kāi)始嘗試用電力來(lái)驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)，其中電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)（ENIAC，Electronic Numerical Integrator and Computer）就是這種嘗試的一大成果。與用齒輪和蒸汽動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)的分析機(jī)不同，ENIAC采用了真空電子管和各種電路來(lái)驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)。從“真空電子管”這一名稱就不難看出，ENIAC的動(dòng)力源正是電力。

ENIAC的體積龐大，足以占據(jù)一個(gè)房間的面積。如此巨型的計(jì)算機(jī)，耗電量也達(dá)到了170kW，與同時(shí)使用170臺(tái)微波爐的耗電量相當(dāng)。當(dāng)然，不愧于其龐大的體積和耗電量，ENIAC解決了當(dāng)時(shí)的不少問(wèn)題。相比咯吱作響“慢悠悠”運(yùn)作的齒輪，采用17萬(wàn)根真空電子管的ENIAC也有著算是“破天荒”的運(yùn)算速度。另外，ENIAC為氫彈的發(fā)明和仿真方法學(xué) （Simulation Methodology）的創(chuàng)立也做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。

然而，眾所周知，ENIAC的性能其實(shí)還趕不上20世紀(jì)90年代的手提電腦。為了驅(qū)動(dòng)一臺(tái)低性能的電子計(jì)算機(jī)，功耗竟等同于同時(shí)運(yùn)作170臺(tái)微波爐，簡(jiǎn)直難以置信。而且，如此龐大的身軀，談何普及？退一萬(wàn)步說(shuō)，就是把ENIAC的體積縮小到其十分之一，也無(wú)濟(jì)于事。毋庸置疑，相比上一代的蒸汽驅(qū)動(dòng)設(shè)備，ENIAC在性能方面的確進(jìn)步了不少。但想將其普及到“人手一臺(tái)”，在體積和效率方面還有很長(zhǎng)一段路要走。顯然，ENIAC無(wú)法為人類創(chuàng)造其預(yù)想中的未來(lái)。世界呼喚進(jìn)一步的創(chuàng)新，晶體管應(yīng)運(yùn)而生。

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晶體管的問(wèn)世

上文說(shuō)道ENIAC采用了真空電子管，那這些電子元件的作用是什么呢？當(dāng)時(shí)，人們已經(jīng)明白只要能控制信號(hào)就可以制成運(yùn)算機(jī)器。上文談到的蒸汽自動(dòng)門(mén)案例就是最好的證明：用粗繩（工具）控制蒸汽（信號(hào)），并設(shè)置了“只要拉繩就開(kāi)門(mén)”的指令。電驅(qū)動(dòng)自動(dòng)門(mén)作為蒸汽驅(qū)動(dòng)的升級(jí)版，其運(yùn)作原理也是一樣，利用開(kāi)關(guān)來(lái)控制流入引擎的電流，以此來(lái)完成對(duì)門(mén)的操作。

歸根到底，其實(shí)計(jì)算機(jī)就是在蒸汽自動(dòng)門(mén)的基礎(chǔ)上，增加了大量的輸入和輸出，然后在其內(nèi)部安裝數(shù)千個(gè)輸送管，連接形成各種復(fù)雜的邏輯結(jié)構(gòu)。蒸汽自動(dòng)門(mén)只有開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)的作用，但試想一下，在此基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)一步延伸，比如用一根粗繩同時(shí)開(kāi)兩扇門(mén)，或設(shè)計(jì)一款人站在門(mén)口時(shí)不會(huì)關(guān)閉的安全門(mén)等。以此類推，計(jì)算機(jī)就是在蒸汽自動(dòng)門(mén)的基礎(chǔ)上，不斷疊加升級(jí)的功能?！按掷K”和“蒸汽輸送管”就相當(dāng)于真空電子管。

▲一個(gè)簡(jiǎn)單操作就可以同時(shí)打開(kāi)幾扇門(mén)的蒸汽驅(qū)動(dòng)自動(dòng)門(mén) & 經(jīng)兩人同意才可以打開(kāi)的自動(dòng)門(mén)

如果想進(jìn)一步升級(jí)“蒸汽計(jì)算機(jī)”的功能，改善整體性能，該怎么辦？我們可以增加蒸汽管數(shù)量，形成更多的功能，或安裝壓力更大、溫度更高的鍋爐，提高反應(yīng)速度等。原理雖說(shuō)很簡(jiǎn)單，但現(xiàn)實(shí)操作起來(lái)卻談何容易？

蒸汽管本身就很大，即使只添加一條管道，增加的體積也相當(dāng)可觀；想提高鍋爐的性能，不僅需要大量的能源，危險(xiǎn)性也會(huì)大大增加。當(dāng)時(shí)，真空電子管是人類找到的最好的替代方案。它由電力驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有像高壓鍋爐爆炸那樣的危險(xiǎn)，且運(yùn)作速度也達(dá)到了每秒數(shù)十次。當(dāng)然，真空電子管的缺點(diǎn)就是龐大的耗電量，因此個(gè)別真空電子管會(huì)經(jīng)常損壞。為了制造更好的計(jì)算機(jī)，就要尋找比真空電子管更勝一籌的元件。

1947年，晶體管誕生了。晶體管可以用微小的電量控制大量電流的流動(dòng)，可謂是顛覆性的創(chuàng)造?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，只要使用以下兩種半導(dǎo)體元件，就可以輕而易舉地連接或斷開(kāi)信號(hào)（參見(jiàn)下圖）。盡管其結(jié)構(gòu)有些復(fù)雜，但原理卻跟用粗繩控制蒸汽輸送的道理一樣。在晶體管誕生的那一年，人類發(fā)明了一款名叫 BJT*的產(chǎn)品，一直沿用至今。當(dāng)然，晶體管的問(wèn)世，也讓半導(dǎo)體這一材料開(kāi)始映入人們的眼簾。

*BJT：雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor），即通過(guò)一定的工藝將半導(dǎo)體內(nèi)的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起（PN結(jié)合）制成的晶體管。

▲晶體管的結(jié)構(gòu)：使用N型和P型兩種半導(dǎo)體。（右圖摘自了解半導(dǎo)體制造技術(shù)的圖表）

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所有人的半導(dǎo)體：MOSFET的創(chuàng)新與制造技術(shù)

1959年，貝爾研究所的研究員默罕默德·阿塔拉（Mohamed M. Atalla）博士和姜大元（Dawon Kahang）博士共同發(fā)明了一種金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET，Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor）。兩人在硅晶圓上形成了兩種半導(dǎo)體層，并在此之上堆疊金屬制成了平面型的晶體管。MOSFET的運(yùn)作原理與上一代晶體管雖有些不同，但使用方法卻大同小異，其最大亮點(diǎn)就是生產(chǎn)率。

▲姜大元博士的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）模型結(jié)構(gòu)（摘自（株）圖書(shū)出版HANOL出版社）

得益于MOSFET的平面式結(jié)構(gòu)，我們可以在硅晶圓上同時(shí)制造出好幾個(gè)MOSFET。這意味著，只要把單個(gè)MOSFET的大小控制好，在相同面積的晶圓上可以多制作數(shù)十倍的晶體管，還可以直接把單個(gè)的MOSFET連接在一起。假設(shè)采用BJT晶體管制作CPU，即使BJT的制作過(guò)程再高效，想把數(shù)億根BJT連接成CPU，仍然需要重復(fù)焊接以及將其固定在基板上的過(guò)程。相反，MOSFET可以一次性達(dá)到數(shù)億根晶體管結(jié)合好的狀態(tài)。正因?yàn)槿绱?，“在硅晶圓上形成的MOSFET集合”在物理學(xué)上被“剝奪”了“半導(dǎo)體”的頭銜。

接下來(lái)，我們將一探MOSFET的制作過(guò)程。我們常說(shuō)，建造一個(gè)半導(dǎo)體工廠需要投數(shù)萬(wàn)億（韓元）。出乎意料的是，如此的高投入其實(shí)就是為了以低成本生產(chǎn)MOSFET。那么半導(dǎo)體工廠是如何采用曝光（Exposure）、蝕刻（Etching）、沉積（Deposition）等半導(dǎo)體領(lǐng)域最常見(jiàn)的工藝來(lái)制作“廉價(jià)”的MOSFET的呢？讓我們來(lái)一探究竟吧！

通過(guò)本篇文章我希望讀者們能分清技術(shù)研發(fā)的目的與工具：科學(xué)家的目的是發(fā)明計(jì)算機(jī)，可以傳遞信號(hào)的電流是工具。MOSFET是目前以電力為基礎(chǔ)的最頂級(jí)的“工具”，這是因?yàn)槠渲圃旃に嚳梢詫?shí)現(xiàn)晶體管的量產(chǎn)。希望讀者們能在接下來(lái)的內(nèi)容中，想一想半導(dǎo)體的制造技術(shù)是如何降低半導(dǎo)體成本，進(jìn)而為計(jì)算機(jī)與智能手機(jī)的普及奠定基礎(chǔ)的。

審核編輯：黃飛