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读半导体简史16IBM

news 2026/8/4 7:58:53

1. 蓝色巨人

1.1. 蓝色巨人开创的大型机时代，不是IBM对人类的最大贡献

1.2. 1945年成立的沃森研究院，在历经20余年的沉淀后逐步发力，在物理、化学与数学等基础学科领域，为IBM提供了足够的底蕴，为蓝色巨人掌控半导体全产业链打下了深厚的基础

1.3. 以晶体管为基石制作了一个被称为SMS(StandardModular System)的电子模块

1.4. IBM在20世纪50年代，搭建7000系列大型机使用的主要电子线路模块

1.5. SLT模块是IBM有史以来，首次采用全球合作方式制作的电子元器件

1.5.1. SLT的性能显然不如单片集成电路，但与SMS模块相比，至少与玩具划清了界限
1.5.2. SLT成为搭建System/360大型机的必然选择
1.5.3. 1964年，IBM正式推出SLT模块
1.5.4. 1965年，IBM生产的SLT数量高达100万片
1.5.5. 1966年为600万片
1.5.6. 并于1967～1969年将年产量提高到了1100万片
1.5.7. 半导体产业因为IBM的这次强势出击而翻天覆地

1.6. IBM在大型机时代获得的巨大成功，确保了其在电子信息产业中的地位

1.7. IBM在SLT技术上的千金一掷，使其具备了庞大的电子制造业与工厂

1.8. 率先研制出的新工艺，使IBM有条件制作出性能更高的集成电路

1.8.1. 性能更高的集成电路，进一步维护IBM在大型机产业中的霸主地位

1.9. IBM率先提出无尘工厂的概念，制定出多如牛毛般的管理与制作标准，规范了集成电路制作的主要流程，整合了半导体上游的设备与材料，将半导体制造业推向阶段顶峰

1.10. 晶圆厂以效率优先为第一要务，所有设备需要按照产能利用最大化为原则，搭建成为若干条流水线协调运转

1.11. 制定流程，协调运转各类设备，不是蓝色巨人的最终追求

1.12. 半导体设备、材料与制作工艺之间存在的紧耦合关系，使得独立研究某一种设备与材料并不可行

1.13. 在半导体制造业，上游以科技为本，是兵家必争之地，比的是十年磨一剑的底蕴

1.13.1. 在中上游确立领袖地位的IBM，轻而易举地在产业下游获取了巨大利益

1.14. 1997年，IBM提出铜互连技术

1.14.1. 铜和铝同为金属晶体材料
1.14.2. 在宏观世界中，铜制作金属层的优势远远超过铝
1.14.3. 与铝相比，铜的电阻率更低，连线功耗更低，传输延时更短，分布电容更小，电迁移特性更高
1.14.4. 大自然有118种元素，可以结合成3000多万种物质，在这些物质中，有条件成为铜金属阻挡层的有几百种材料
1.14.5. 铜互连技术是半导体材料科学的一次重要微创新
1.14.5.1. 在材料领域，任何一项微不足道的创新，均需要经历漫长的过程。实验室的偶然成功仅仅是第一步，之后还有小试、中试与大规模生产，在其中任何一个环节出现问题，都需要回溯至上一个阶段，甚至回归到实验室阶段
1.14.6. 铜互连技术非常幸运，顺利通过了实验室、小试、中试与大规模生产这些必要环节，成为迄今为止半导体金属层连线的不二之选

1.15. IBM推出铜互连技术的同时，提出Low-K介质填充技术

1.15.1. 金属层数的不断增加，使得层间电容持续提高
1.15.2. 降低电容的有效方法是选择介电常数低的填充材料，一般称为Low-K材料

1.16. IBM在半导体制作领域取得的这些成就，持续推动着集成电路沿着摩尔定律的道路前行

2. 半导体测试设备

2.1. 最早出现的商用半导体设备，不是光刻设备，而是半导体测试设备

2.2. 1961年，Teradyne公司在波士顿成立后不久，发布了一款基于计算机的自动测试系统(Automatic Test Equipment，ATE)

2.3. 直到今日，Teradyne依然是ATE设备的主要提供商

2.4. 1967年，Applied Materials成立，开始为半导体制作工厂提供设备

2.5. 检测设备的重要性不亚于生产设备，由三大类组成，分别为量测(Metrology)、缺陷检测(Defect Inspection)和测试(Test)设备组成，分别简称为“量”“检”与“测”

2.6. 在“量检测”设备中，“量”与“检”设备的技术含量最高，其使用贯穿于晶圆厂流水线的始末，监控集成电路制作的全流程

2.7. 与“测”相关的设备用于晶圆制作后期与封装测试厂，检查生产出的集成电路是否满足设计需求

2.8. “量”相关设备与半导体材料的计量学相关，用于测量制作过程的各种参数，包括电阻率、应力、掺杂浓度、膜厚、关键尺寸与套刻精度等

2.8.1. 不能准确量测各类参数，就无法控制每道工序的执行结果，这就是“量”存在的意义

2.9. 在现代集成电路的制作中，“量检”设备的重要性容易被忽略，甚至与测试设备混淆

2.10. “量检”设备基于量子力学的光谱分析与隧穿效应原理，实现难度远超过测试设备

3. 等离子体

3.1. 1920年，诺贝尔化学奖得主，美国科学家欧文·朗缪尔，在研究灯丝中带电粒子的发射过程中，第一次观测到这个变幻莫测的等离子体世界

3.2. 物质常见的三种状态是固、液与气态，等离子体是物质的第4种状态

3.2.1. 在人类能够生存的优越环境中，不存在等离子体
3.2.2. 在浩瀚的宇宙中，超过99%的可见物质处于等离子态，地球不过是一个非常另类的存在
3.2.3. 天然等离子体存在于太阳核心、日冕、太阳风，以及自然界中的闪电、火焰与极光等环境中
3.2.4. 通过加热可以进行固、液、气与等离子态之间的转换

3.3. 在等离子环境中，物质构成与地球大不相同

3.3.1. 在温度高达15000000K的太阳核心，物质的外层电子容易脱离原子核的束缚成为自由电子，失去电子的原子成为离子，从而形成带正电、负电的离子，以及没有失去电子的粒子
3.3.2. 等离子体由正负离子与没有失去电子的粒子组成

3.4. 并不是所有由正离子、负离子与中性粒子组成的系统即为等离子体系统

3.5. 等离子体具有严格的判据，包括“等离子体近似”“多粒子参与的群体相互作用”等条件

3.6. 等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体两大类

3.6.1. 高温等离子体的温度，甚至可以高达1亿摄氏度
3.6.2. 低温等离子体的温度可以为室温
3.6.2.1. 在低温等离子体中，电子温度可以高达上万摄氏度，但是离子温度并不高，从而整个系统的温度较低

4. 加减法设备

4.1. 集成电路的制作，需要不断添加或者去除材料

4.2. 生产设备以光刻为中心，在集成电路制作过程中，光刻占据40%～50%的时间，其他工序围绕光刻进行

4.3. 在集成电路的生产设备中，加减法设备的技术含量相对较高

4.3.1. 减法设备主要由刻蚀与抛光设备组成
4.3.2. 加法设备主要由沉积、外延与掺杂设备组成

4.4. 刻蚀设备是最重要的减法设备

4.4.1. 由湿法与干法两类组成
4.4.2. 湿法刻蚀采用酸性溶剂进行减法操作，例如磷酸和氢氟酸可以分别溶解氮化硅与二氧化硅层
4.4.3. 1968年，美国Signetics公司的Stephen Irving发明干法刻蚀，用于去除光刻胶
4.4.3.1. 各向异性干法刻蚀的优势是“指哪打哪”，容易控制，与湿法刻蚀相比不会造成额外的破坏，其优势主要来自于等离子体(Plasma)的使用

4.5. 在集成电路制作中，反应离子刻蚀法(Reactive Ion Etching，RIE)使用低温等离子体进行刻蚀

4.6. 以干法刻蚀常用的CF4材料为例，当高速电子撞击CF4分子时，将发生电离(Ionization)、分裂(Dissociation)、激发(Excitation)与弛豫(Relaxation)这4个主要过程，以形成稳定的等离子体

4.6.1. 干法刻蚀中，等离子体中的电子容易吸附在刻蚀机中的阴极与阳极上，并使其带负电，从而使两个电极附近的等离子体呈正电

4.7. 在刻蚀领域，华人具有优越的基因

4.7.1. 干法刻蚀领域居世界之巅的泛林科技，其“林”字源自出生于中国广州的林杰屏
4.7.2. 曾经在Applied Materials工作的王宁国博士，也对这个领域有着突出贡献
4.7.3. 中国半导体设备领域整体处于弱势，但刻蚀设备与世界最高水平的差距却是最小的

4.8. 干法刻蚀之外，低温等离子体还是等离子增强气相沉积(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)的制作基础

4.9. 化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)是常用的半导体加法设备，其原理是使用几种气相化合物或者气体单质，与半导体衬底表面进行化学反应，在其上生成薄膜的一种制作方法

4.10. 与化学气相沉积对应的还有一种重要的加法设备，即物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)

4.11. 离子注入与扩散是另外一种重要的加法操作，多用于掺杂

4.11.1. 离子注入的缺点是在掺杂过程中，将造成晶格的表面损伤
4.11.2. 为此在离子注入之后，需要进行退火，激活注入杂质，还原载流子电性能并修复晶格

4.12. CMP技术最早用于镜头制作，包括显微镜头、军事望远镜等领域

4.12.1. 1983年，IBM引入CMP技术，优化集成电路后道工序中金属层的制作
4.12.2. 20世纪90年代，CMP设备开始在前道工序中大规模普及，用于抛光浅沟槽隔离、电介层、多晶硅等多个环节
4.12.3. CMP技术是实现铜互连技术的重要基础，其实现原理基于化学反应和机械动力，并由研磨机、研磨液、研磨垫、抛光终点量测、CMP后清洗等一系列辅助设备协同实现

4.13. 在集成电路的制作过程中，最重要的设备无疑是光刻机，“量检”设备在重要程度上可以排在第二档