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太陽電池在工作的過程中，光電轉換效率并不只由本身的材料決定，還受到許多因素如：入射光反射，電極制作過程中金屬半導體接觸的質量，電池柵線遮光率等，這些都會使電池的效率下降。針對這些問題，本文探討了利用工藝技術提高光電轉換效率的主要途徑。
【關鍵詞】太陽能電池 工藝技術
太陽電池光電轉換效率受到許多因素的影響，各子電池材料的搭配生長很重要，這決定了電池對光的吸收轉換能力。太陽電池在工作的過程中，光電轉換效率并不只由本身的材料決定，還受到許多因素的影響。例如，電池表面的入射光反射，電極制作過程中金屬半導體接觸面積過大導致少子復合速度提高，電池柵線遮光等，這些都會使電池的效率下降。因此，優化器件制造后工藝，對于充分利用太陽能，提高太陽電池的光電轉換效率及降低成本具有重要的意義。
針對以上問題，利用工藝技術提高光電轉換效率的途徑主要有：
1 合理設計柵線結構
如果柵線寬度較大（通常大于10微米）將造成遮光較大，電池填充因子較低，同時金屬與半導體接觸面積增大將使表面擴散濃度升高，進而影響表面鈍化的效果。因此電極柵線的設計顯得格外重要，如何使電極線分布廣泛，進而快速有效地收集聚光時產生的高密度光生載流子，同時盡可能增大電極透光面積、減小電極電阻是設計的重點。根據現有工藝條件以及預先設定的電池參數（開路電壓、短路電流密度、最佳工作點的輸出電壓和輸出電流密度等） 進行設計，合理的柵線結構可以將電極金屬層電阻功率損耗，柵線遮擋造成的功率損耗，接觸電阻功率損耗，接觸層橫向電阻功率損耗值降至最低。
2 在電池表面鍍多層減反射膜
減反射膜是利用光在減反射膜的兩側處反射光存在位相差的干涉原理而達到減反射效果，可利用菲涅耳公式求得反射率。對于多層膜系， 通常引入光學導納的概念來分析多層光學薄膜的反射性質，將整個系統等效為一個單層膜，求出多層膜系的等效菲涅耳系數，從而求出反射率。膜系的反射率R取決于上面的膜層結構參數。一般情況下，垂直入射和入射光的光譜分布是已知的，因此可通過調整膜系的層數m和各層膜的光學厚度來得到最小的反射率。
太陽光分布在一個較大的波長范圍內，因此，對太陽電池要求在一個較寬的光譜范圍內有良好的減反射效果，使更多入射光能進入電池。多層減反膜能夠在多個波長附近有好的減反射效果，這樣就展寬了具有良好減反射效果的波長范圍。為搭配具有良好光電轉換能力的太陽能電池材料，減反射膜材料的選擇必須滿足以下幾個條件：
（1）適宜的透明范圍，在對應于各太陽能電池吸收層材料波段的光吸收系數最小，盡可能避免光子在進入吸收層前被吸收，浪費光能；
（2）良好的光學、化學穩定性，以保證其在高溫聚光條件下或空間極端條件下仍可正常工作；
（3）與窗口層材料結合以及膜層之間的結合性能、牢固度好；
（4） 保證膜層之間、膜與窗口層材料之間的折射率相匹配，這需要遵循麥克斯韋電磁方程組和菲涅耳公式進行多層膜系光學性質的推演，并不是隨意的材料都可以進行組合，選擇最恰當的材料折射率搭配才能達到最小的反射效果。
滿足以上條件的雙層膜系有很多，如TiO2/Al2O3、TiO2/SiO2、ZnS/MgF2或ZnS/ZnSe等。在地面應用中，對于III-V族級聯電池，MgF2與ZnS組合的減反射膜能給出最佳的減反射效果。
今后，高效率電池的材料會隨著資源開發的加劇越來越貴，在如何保證轉換效率較高的情況下降低材料的成本就顯得尤為重要，盡可能地增加入射光，研發新型減反射結構也是提升電池效率降低電池成本的一個有效途徑。
參考文獻
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作者簡介
詹鋒（1980-），男，廣西壯族自治區南寧市人。北京師范大學博士，中國科學院博士后，現廣西大學有色金屬材料國家重點實驗室培育基地副研究員，研究方向為有色金屬新能源材料。
關鍵詞：自動化測試儀表 可靠性 人機對話
中圖分類號：TP21 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）01（c）-0000-01
科學技術的飛速發展促使社會意識形態發生轉變，使得人們對生活的追求更加富有人文主義特色，社會各領域對環境的要求更加嚴格，對產品的現代化程度要求更高，其中節能減排戰略促使新型能源產業風靡全球，帶動了全球半導體技術的進一步發展，比如太陽能行業逐漸成為新時期的朝陽產業，該行業中對儀器儀表提出了新的要求。作為現代化儀器儀表的制造商，間接地為現代化科技的發展創造了基礎科研平臺，通過提供先進的儀表，可以提高用戶的生產效率，提升產品質量，監控排放，為低碳經濟做出更大的貢獻。
1 半導體行業對自動化儀器儀表需求分析
1.1 自動化儀器儀表現狀
全球科技創新的日新月異帶動了我國制造業的飛速發展，進入新世紀以來，我國半導體行業對自動化儀表的需求明顯加強，無論從技術特點還是市場數量上都呈現遞增趨勢，從技術含量上分析，我國科研、量產中所使用的自動化儀表已經處于世界領先水平。
上世紀初，國內儀器儀表穩步發展，主要源于工業半導體行業的需求增加，從技術層面上拉動了整個行業技術水平的提升，尤其在新產品開發上取得了顯著成效，比如說擁有自主知識產權的電磁流量計、智能化電動機執行系統等。
1.2 半導體行業對自動化儀器儀表的需求分析
目前，我國半導體行業使用較多的儀器儀表主要是小型檢測單元，比如在集成電路、液晶顯示、半導體薄膜、太陽能電池制備等領域的使用較為頻繁。自動化儀器儀表的使用往往依賴于半導體設備的發展程度，現階段該行業中使用較多的是各種薄膜沉積系統、成分檢測系統等，涵蓋面較廣的是PECVD（plasma enhanced chemical vapor deposition）、HWCVD（Hot wire chemical vapor deposition）、MOCVD（metal organic chemical vapor deposition）系統以及相關檢測設備等。半導體設備中對壓力計、傳感器、流量計、溫度計等元器件的使用較多，尤其在半導體行業制備薄膜材料的工藝中對以上元器件的要求相對較高。
（1）壓力表
由于半導體技術具有相對較高的精密性，在半導體薄膜的制備工藝中，要求對工藝參數精確控制，反應腔室內部工藝氣體的壓力大小，成為該行業工藝技術中的核心參數。對工藝氣體壓力的檢測通常采用壓力計以及相關的各種真空檢測設備。半導體設備的正常運行必須以廠務設施作為保證，包括水、電、氣等條件，其中“水”主要用于設備冷卻或者恒溫加熱，因此需要采用壓力表對水壓、CDA（condensed air）等進行嚴格控制方可保證工藝正常運行。
（2）流量計
流量計一般應用在化學沉積系統中，對氣體流量起到監測、控制作用。對于半導體工藝來說，產品制備工藝參數是決定器件性能的關鍵因素，其中化學氣相沉積系統中反應氣體的流量對最終產品質量起到直接的決定性作用，對氣體流量的控制不僅要體現動態時效性，更重要的是要在量的控制上具備較高的精確度，目前國內制備MFC的技術已相對成熟，為我國半導體行業的發展奠定了基礎。
（3）傳感器
傳感器在現代工業時代的使用極為廣泛，半導體設備中對傳感器的使用大多體現在設備機械傳動部分。在半導體產品制造中，要實現設備的流水線運行，離不開高可靠型的傳感器元件，通過傳感器協調不同工序、設備不同部位的聯動，進而保證整個工藝的流水線運行。
（4）溫度計
隨著科學技術的發展和現代工業技術的進步，測溫技術也不斷地改進和提高，其中金屬溫度計是利用兩種不同金屬在溫度改變時膨脹程度不同的原理工作的，在半導體緊密制造中通常用來檢測液體、氣體的溫度，測試溫度偏中低水平，適合工藝流程中在線、動態、實時監測。
半導體工藝中對金屬溫度及的使用大多是用來檢測特殊反應氣體的溫度，由于普通加熱器很難通過熱電偶檢測襯底溫度，通常在反應腔室特殊部門安裝金屬溫度計監測生長基元的溫度，從測量精度和實際可操作性上提高了半導體工藝的可行性。
2 自動化儀器儀表在半導體行業的發展趨勢
自動化測試儀表技術未來發展趨勢主要體現在高智能化、高可靠性、高精密度、優良的響應性能等方面，半導體行業儀器儀表技術主要針對具體應用特性而體現出以下幾個發展方向：
2.1 人機對話智能化發展
人機對話技術是自動化儀器儀表發展的核心方向，也是未來信息化社會的主流技術，半導體行業對儀器儀表的使用目的是為了便于更好的控制工藝流程，提高對設備的可控性，如果自動化測試儀表具有強大的人機對話特性，能夠快速、準確的體現設備運行狀態，在半導體制造工業中無疑起到了舉足輕重的作用。自動化儀表的人機對話性能是通過設備控制端和儀器之間的對話界面實現，通過人類可以識別的界面端口，讀取儀表對設備狀態的檢測數據，從而對工藝過程起到指導作用。
2.2 集成技術的標準化發展
自動化儀表的應用直接依賴于其能否與其他設備形成對話流暢的有機整體，隨著人類科學技術的不斷進步，半導體行業對自動化儀表的使用需求逐漸增多，不同設備具有不同的邏輯控制系統，如何將自動化測試儀表的接口、通信、軟件控制單元和半導體設備邏輯控制語言相融合成為該行業技術發展的瓶頸，如果實現測試儀表在不同半導體設備上的集成標準化，將大幅度提升自動化測試技術的進步。
2.3 可靠性技術的提高
自動化儀表在工業生產中起到“中樞神經”的作用，對其可靠性不容忽視，尤其對于大型復雜的工業系統中，自動化儀器的可靠性關系到整個企業、乃至行業的發展命脈。對于半導體企業檢測與過程控制儀表，大部分安裝在工藝管道、工序過渡段，甚至多數環境存在有毒、易燃、易爆等特種氣體，這些特殊環境對自動化儀表的維護增加了很多困難。因此，在使用特種氣體的半導體行業中對自動化檢測儀表的可靠性具有較高的要求，盡可能降低其維修頻率，為工業安全生產提供必要保證。
3 結語
當今世界已經進入信息時代，自動化技術成為推動科學技術和國民經濟高速發展的關鍵因素，其中自動化測試儀表作為科研、工業化生產的基礎硬件設施而不斷發展成熟，在半導體行業中的應用逐漸廣泛深入。隨著行業科研水平的提高，對自動化儀器儀表有了更好的要求，可靠性、集成技術、智能對話特性成為自動化測試技術發展的首要任務，對自動化測試技術以及測試儀表的使用起到舉足輕重的作用。
參考文獻
關鍵詞:節能;減排;功率半導體
Foundational Technology of Energy-Saving & Emission Reduction ――Power Semiconductor Devices and IC’s
ZHANG Bo
(State key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices,
University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054,China)
Abstract: Power semiconductor devices and IC’s, an important branch of semiconductor technology, are a key and basic technology for energy-saving and emission reduction with the wide spread use of electronics in the consumer, industrial and military sectors. The development,challengeand market of power semiconductor devices are discussed in this paper. The future perspectives and key development areas of power semiconductor devices and IC’s in China are also described.
Keywords: Energy-saving; Emission reduction; Power semiconductor device
1引言
功率半導體芯片包括功率二極管、功率開關器件與功率集成電路。近年來,隨著功率MOS技術的迅速發展,功率半導體的應用范圍已從傳統的工業控制擴展到4C產業(計算機、通信、消費類電子產品和汽車電子),滲透到國民經濟與國防建設的各個領域。
功率半導體器件是進行電能處理的半導體產品。在可預見的將來,電能將一直是人類消耗的最大能源,從手機、電視、洗衣機、到高速列車,均離不開電能。無論是水電、核電、火電還是風電,甚至各種電池提供的化學電能,大部分均無法直接使用,75%以上的電能應用需由功率半導體進行變換以后才能供設備使用。每個電子產品均離不開功率半導體器件。使用功率半導體的目的是使用電能更高效、更節能、更環保并給使用者提供更多的方便。如通過變頻來調速,使變頻空調在節能70%的同時,更安靜、讓人更舒適。手機的功能越來越多,同時更加輕巧,很大程度上得益于超大規模集成電路的發展和功率半導體的進步。同時,人們希望一次充電后有更長的使用時間,在電池沒有革命性進步以前,需要更高性能的功率半導體器件進行高效的電源管理。正是由于功率半導體能將 ‘粗電’變為‘精電’,因此它是節能減排的基礎技術和核心技術。
隨著綠色環保在國際上的確立與推進,功率半導體的發展應用前景更加廣闊。據國際權威機構預測,2011年功率半導體在中國市場的銷售量將占全球的50%,接近200億美元。與微處理器、存儲器等數字集成半導體相比,功率半導體不追求特征尺寸的快速縮小,它的產品壽命周期可為幾年甚至十幾年。同時,功率半導體也不要求最先進的生產工藝,其生產線成本遠低于Moore定律制約下的超大規模集成電路。因此,功率半導體非常適合我國的產業現狀以及我國能源緊張和構建和諧社會的國情。
目前,國內功率半導體高端產品與國際大公司相比還存在很大差距,高端器件的進口替代才剛剛開始。因此國內半導體企業在提升工藝水平的同時,應不斷提高國內功率半導體技術的創新力度和產品性能,以滿足高端市場的需求,促進功率半導體市場的健康發展以及國內電子信息產業的技術進步與產業升級。
2需求分析
消費電子、工業控制、照明等傳統領域市場需求的穩定增長,以及汽車電子產品逐漸增加,通信和電子玩具市場的火爆,都使功率半導體市場繼續保持穩步的增長速度。同時,高效節能、保護環境已成為當今全世界的共識,提高效率與減小待機功耗已成為消費電子與家電產品的兩個非常關鍵的指標。中國目前已經開始針對某些產品提出能效要求,對冰箱、空調、洗衣機等產品進行了能效標識,這些提高能效的要求又成為功率半導體迅速發展的另一個重要驅動力。
根據CCID的統計,從2004年到2008年,中國功率器件市場復合增長率達到17.0%,2008年中國功率器件市場規模達到828億元,在嚴重的金融危機下仍然同比增長7.8%,預計未來幾年的增長將保持在10%左右。隨著整機產品更加重視節能、高效,電源管理IC、功率驅動IC、MOSFET和IGBT仍是未來功率半導體市場中的發展亮點。
在政策方面,國家中長期重大發展規劃、重大科技專項、國家863計劃、973計劃、國家自然科學基金等都明確提出要加快集成電路、軟件、關鍵元器件等重點產業的發展,在國家剛剛出臺的“電子信息產業調整和振興規劃”中,強調著重從集成電路和新型元器件技術的基礎研究方面開展系統深入的研究,為我國信息產業的跨越式發展奠定堅實的理論和技術基礎。在國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)中明確提出,功率器件及模塊技術、半導體功率器件技術、電力電子技術是未來5～15年15個重點領域發展的重點技術。在目前國家重大科技專項的“核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟件產品”和“極大規模集成電路制造裝備及成套工藝”兩個專項中,也將大屏幕PDP驅動集成電路產業化、數字輔助功率集成技術研究、0.13微米SOI通用CMOS與高壓工藝開發與產業化等功率半導體相關課題列入支持計劃。在國家973計劃和國家自然科學基金重點和重大項目中,屬于功率半導體領域的寬禁帶半導體材料與器件的基礎研究一直是受到大力支持的研究方向。
總體而言,從功率半導體的市場需求和國家政策分析來看,我國功率半導體的發展呈現以下三個方面的趨勢:① 硅基功率器件以實現高端產品的產業化為發展目標;② 高壓集成工藝和功率IC以應用研究為主導方向;③ 第三代寬禁帶半導體功率器件、系統功率集成芯片PSoC以基礎研究為重點。
3功率半導體技術發展趨勢
四十多年來,半導體技術沿著“摩爾定律”的路線不斷縮小芯片特征尺寸。然而目前國際半導體技術已經發展到一個瓶頸:隨著線寬的越來越小,制造成本成指數上升;而且隨著線寬接近納米尺度,量子效應越來越明顯,同時芯片的泄漏電流也越來越大。因此半導體技術的發展必須考慮“后摩爾時代”問題,2005年國際半導體技術發展路線圖(The International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)就提出了另外一條半導體技術發展路線,即“More than Moore-超摩爾定律”, 如圖1所示。
從路線圖可以清楚看到,未來半導體技術主要沿著“More Moore”與“More Than Moore”兩個維度的方向不斷發展,同時又交叉融合,最終以3D集成的形式得到價值優先的多功能集成系統。“More Moore”是指繼續遵循Moore定律,芯片特征尺寸不斷縮小(Scaling down),以滿足處理器和內存對增加性能/容量和降低價格的要求。這種縮小除了包括在晶圓水平和垂直方向上的幾何特征尺寸的繼續縮小,還包括與此關聯的三維結構改善等非幾何學工藝技術和新材料的運用等。而“More Than Moore”強調功能多樣化,更注重所做器件除了運算和存儲之外的新功能,如各種傳感功能、通訊功能、高壓功能等,以給最終用戶提供更多的附加價值。以價值優先和功能多樣化為目的的“More Than Moore”不強調縮小特征尺寸,但注重系統集成,在增加功能的同時,將系統組件級向更小型、更可靠的封裝級(SiP)或芯片級(SoC)轉移。日本Rohm公司提出的“Si+α”集成技術即是“More Than Moore”思想的一種實現方式,它是以硅材料為基礎的,跨領域(包括電子、光學、力學、熱學、生物、醫藥等等)的復合型集成技術,其核心理念是電性能(“Si”)與光、力、熱、磁、生化(“α”)性能的組合,包括:顯示器/發光體(LCD、EL、LD、LED)+LSI的組合感光體、(PD、CCD、CMOS傳感器)+LSI的形式、MEMS/生化(傳感器、傳動器)+LSI等的結合。
在功能多樣化的“More Than Moore”領域,功率半導體是其重要組成部分。雖然在不同應用領域,對功率半導體技術的要求有所不同,但從其發展趨勢來看,功率半導體技術的目標始終是提高功率集成密度,減少功率損耗。因此功率半導體技術研發的重點是圍繞提高效率、增加功能、減小體積,不斷發展新的器件理論和結構,促進各種新型器件的發明和應用。下面我們對功率半導體技術的功率半導體器件、功率集成電路和功率系統集成三個方面的發展趨勢進行梳理和分析。
1) 功率半導體(分立)器件
功率半導體(分立)器件國內也稱為電力電子器件,包括:功率二極管、功率MOSFET以及IGBT等。為了使現有功率半導體(分立)器件能適應市場需求的快速變化,需要大量融合超大規模集成電路制造工藝,不斷改進材料性能或開發新的應用材料、繼續優化完善結構設計、制造工藝和封裝技術等,提高器件功率集成密度,減少功率損耗。目前,國際上在功率半導體(分立)器件領域的熱點研究方向主要為器件新結構和器件新材料。
在器件新結構方面,超結(Super-Junction)概念的提出,打破了傳統功率MOS器件理論極限,即擊穿電壓與比導通電阻2.5次方關系,被國際上譽為“功率MOS器件領域里程碑”。超結結構已經成為半導體功率器件發展的一個重要方向,目前國際上多家半導體廠商,如Infineon、IR、Toshiba等都在采用該技術生產低功耗MOS器件。對于IGBT器件,其功率損耗和結構發展如圖2所示。從圖中可以看到,基于薄片加工工藝的場阻(Field Stop)結構是高壓IGBT的主流工藝;相比于平面結結構(Planar),槽柵結構(Trench)IGBT能夠獲得更好的器件優值,同時通過IGBT的版圖和柵極優化,還可以進一步提高器件的抗雪崩能力、減小終端電容和抑制EMI特性。
功率半導體(分立)器件發展的另外一個重要方向是新材料技術,如以SiC和GaN為代表的第三代寬禁帶半導體材料。寬禁帶半導體材料具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場強度高、飽和電子漂移速度高、抗輻射能力強等特點,是高壓、高溫、高頻、大功率應用場合下極為理想的半導體材料。寬禁帶半導體SiC和GaN功率器件技術是一項戰略性的高新技術,具有極其重要的軍用和民用價值,因此得到國內外眾多半導體公司和研究結構的廣泛關注和深入研究,成為國際上新材料、微電子和光電子領域的研究熱點。
2) 功率集成電路(PIC)
功率集成電路是指將高壓功率器件與信號處理系統及接口電路、保護電路、檢測診斷電路等集成在同一芯片的集成電路,又稱為智能功率集成電路(SPIC)。智能功率集成作為現代功率電子技術的核心技術之一,隨著微電子技術的發展,一方面向高壓高功率集成(包括基于單晶材料、外延材料和SOI材料的高壓集成技術)發展,同時也向集成更多的控制(包括時序邏輯、DSP及其固化算法等)和保護電路的高密度功率集成發展,以實現功能更強的智能控制能力。
3)功率系統集成
功率系統集成技術在向低功耗高密度功率集成技術發展的同時,也逐漸進入傳統SoC和CPU、DSP等領域。目前,SoC的低功耗問題已經成為制約其發展的瓶頸,研發新的功率集成技術是解決系統低功耗的重要途徑,同時,隨著線寬的進一步縮小,內核電壓降低,對電源系統提出了更高要求。為了在標準CMOS工藝下實現包括功率管理的低功耗SoC,功率管理單元需要借助數字輔助的手段,即數字輔助功率集成技術(Digitally Assisted Power Integration,DAPI)。DAPI技術是近幾年數字輔助模擬設計在功率集成方面的深化與應用,即采用更多數字的手段,輔助常規的模擬范疇的集成電路在更小線寬的先進工藝線上得到更好性能的電路。
4我國功率半導體發展現狀、
問題及發展建議
在中國半導體行業中,功率半導體器件的作用長期以來都沒有引起人們足夠的重視,發展速度滯后于大規模集成電路。國內功率半導體器件廠商的主要產品還是以硅基二極管、三極管和晶閘管為主,目前國際功率半導體器件的主流產品功率MOS器件只是近年才有所涉及,且最先進的超結低功耗功率MOS尚無法生產,另一主流產品IGBT尚處于研發階段。寬禁帶半導體器件主要以微波功率器件(SiC MESFET和GaN HEMT)為主,尚未有針對市場應用的寬禁帶半導體功率器件(電力電子器件)的產品研發。目前市場熱點的高壓BCD集成技術雖然引起了從功率半導體器件IDM廠家到集成電路代工廠的高度關注,但目前尚未有成熟穩定的高壓BCD工藝平臺可供高性能智能功率集成電路的批量生產。
由于高性能功率半導體器件技術含量高,制造難度大,目前國內生產技術與國外先進水平存在較大差距,很多中高端功率半導體器件必須依賴進口。技術差距主要表現在:(1)產品落后。國外以功率MOS為代表的新型功率半導體器件已經占據主要市場,而國內功率器件生產還以傳統雙極器件為主,功率MOS以平面工藝的VDMOS為主,缺乏高元胞密度、低功耗、高器件優值的功率MOS器件產品,國際上熱門的以超結(Super junction)為基礎的低功耗MOS器件國內尚處于研發階段;IGBT只能研發基于穿通型PT工藝的600V產品或者NPT型1200V低端產品,遠遠落后于國際水平。(2)工藝技術水平較低。功率半導體分立器件的生產,國內大部分廠商仍采用IDM方式,采用自身微米級工藝線,主流技術水平和國際水平相差至少2代以上,產品以中低端為主。但近年來隨著集成電路的迅速發展,國內半導體工藝條件已大大改善,已擁有進行一些高端產品如槽柵功率MOS、IGBT甚至超結器件的生產能力。(3)高端人才資源匱乏,尤其是高端設計人才和工藝開發人才非常缺乏。現有研發人員的設計水平有待提高,特別是具有國際化視野的高端設計人才非常缺乏。(4)國內市場前十大廠商中無一本土廠商,半導體功率器件產業仍處在國際產業鏈分工的中低端,對于附加值高的產品如IGBT、AC-DC功率集成電路,現階段國內僅有封裝能力,不但附加值極低,還形成了持續的技術依賴。
筆者認為,功率半導體是最適合中國發展的半導體產業,相對于超大規模集成電路而言,其資金投入較低,產品周期較長,市場關聯度更高,且還沒有形成如英特爾和三星那樣的壟斷企業。但中國功率半導體的發展必須改變目前封裝強于芯片、芯片強于設計的局面,應大力發展設計技術,以市場帶動設計、以設計促進芯片,以芯片壯大產業。
功率半導體芯片不同于以數字集成電路為基礎的超大規模集成電路,功率半導體芯片屬于模擬器件的范疇。功率器件和功率集成電路的設計與工藝制造密切相關,因此國際上著名的功率器件和功率集成電路提供商均屬于IDM企業。但隨著代工線的迅速發展,國內如華虹NEC、成芯8英寸線、無錫華潤上華6英寸線均提供功率半導體器件的代工服務,并正積極開發高壓功率集成電路制造平臺。功率半導體生產企業也應借鑒集成電路設計公司的成功經驗,成立獨立的功率半導體器件設計公司,充分利用代工線先進的制造手段,依托自身的銷售網絡,生產高附加值的高端功率半導體器件產品。
設計弱于芯片的局面起源于設計力量的薄弱。雖然國內一些功率半導體生產企業新近建設了6英寸功率半導體器件生產線,但生產能力還遠未達到設計要求。筆者認為其中的關鍵是技術人員特別是具有國際視野和豐富生產經驗的高級人才的不足。企業應加強技術人才的培養與引進,積極開展產學研協作,以雄厚的技術實力支撐企業的發展。
我國功率半導體行業的發展最終還應依靠功率半導體IDM企業,在目前自身生產條件落后于國際先進水平的狀況下,IDM企業不能局限于自身產品線的生產能力,應充分依托國內功率半導體器件龐大的市場空間,用技術去開拓市場,逐漸從替代產品向產品創新、牽引整機發展轉變;大力發展設計能力,一方面依靠自身工藝線進行生產,加強技術改造和具有自身工藝特色的產品創新,另一方面借用先進代工線的生產能力,壯大自身產品線,加速企業發展。
5結束語
總之,功率半導體技術自新型功率MOS器件問世以來得到長足進展,已深入到工業生產與人民生活的各個方面。與國外相比,我國在功率半導體技術方面的研究存在著一定差距,但同時日益走向成熟。總體而言,功率半導體的趨勢正朝著提高效率、多功能、集成化以及智能化、系統化方向發展;伴隨制造技術已進入深亞微米時代,新結構、新工藝硅基功率器件正不斷出現并逼近硅材料的理論極限,以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導體器件也正不斷走向成熟。
我國擁有國際上最大的功率半導體市場,擁有迅速發展的半導體代工線,擁有國際上最大規模的人才培養能力,但中國功率半導體的發展必須改變目前封裝強于芯片、芯片強于設計的局面。功率半導體行業應加強技術力量的引進和培養,大力發展設計技術,以市場帶動設計、以設計促進芯片,以芯片壯大產業。
【關鍵詞】TCAD；ATHENA；半導體工藝；熱氧化
0 引言
半導體熱氧化過程中，需要使用各種氧化工藝設備，如臥式氧化爐、立式氧化爐、摻氯氧化爐等。在對氧化膜參數和性能測量時，也需要使用半導體參數測量儀、橢偏儀等儀器。這些設備儀器價格昂貴，購置和維護這些設備的費用遠遠超出了學校的承受能力，導致其中部分實驗無法開設。在已經開設的部分半導體氧化實驗中，實驗人員一般是通過程序設定或者儀器操作進行實驗，屬于外部和宏觀上的觀察，對實驗的過程和結果不能直觀分析，往往是只能觀察到部分結果，無法得到一個全面的認識。有些實驗的準備時間和實驗時間，如抽真空時間、薄膜氧化時間等過長，使得整個實驗持續很久，效率低下，學生也感覺浪費了時間。另外有的實驗，其過程簡單枯燥，實驗細節被工藝設備所阻隔，令人感到乏味，降低了學生的興趣，影響教學效果。
1 TCAD技術在熱氧化實驗教學中的優勢
現在很多的半導體工藝及器件的開發是由計算機仿真程序來完成的。這樣的程序被稱為TCAD。使用TCAD可以有效的縮短研發成本和研發周期[1]。此類TCAD軟件種類較多，其中美國的Silvaco所設計的TCAD軟件是最具代表性的工藝及器件仿真軟件。Silvaco提供了TCAD Driven CAD Environment，這一套完整的工具使得物理半導體工藝可以給所有階段的Ic設計方法提供強大的動力：制程模擬和器件工藝；SPICE Model的生成和開發；interconnect，parasitics的極其精確的描述；physically-based可靠性建模以及傳統的CAD。所有這些功能整合在統一的框架，提供了工程師在完整的設計中任何階段中所做更改導致的性能、可靠性等效果直接的反饋[2-3]。
TCAD技術構建的仿真制造系統，由于可以節約開發時間，減少開發成本[4]，已經在半導體工業界和科研領域得到廣泛的應用，并獲得很大的成功。應用TCAD技術構建虛擬實驗教學，具有巨大的優勢，可以獲得明顯的成效。首先，利用TCAD技術進行虛擬實驗，所需要的時間少、速度快[5]。一個基本熱氧化過程一般需要幾小時或更多的時間，而用軟件模擬一次僅需要幾分鐘。其次，基于程序的仿真流程，命令簡單，操作易于上手，而且即使出現錯誤操作，也不會損傷儀器，因此虛擬實驗的管理維護費用可以基本忽略[6]。再次，在實驗前后以及進行過程中，可以隨時觀察各項數據（包括形貌、雜質分布、電場分布、電流、電阻等），可以分析每一步操作的中間結果，從而得到即時全面的認知。
2 半導體熱氧化仿真程序的教學實踐
2.1 教學設計
在半導體熱氧化虛擬實驗的開設過程中，我們可以將其設計為驗證性實驗、也可以設計為探究式實驗。驗證性實驗通過指定某些特定的工藝步驟和工藝流程，建立起規定的微電子器件結構，進行基礎電學特性的仿真。這類實驗著重培養學生軟件操作、程序編寫和數據處理與輸出等基本技能，并驗證課本中的工作原理、變化過程和結果，獲得直觀和正確的認識。探究性實驗只指定產生的器件結構和測量要求，讓學生自行設計實驗并加以仿真實現。此類實驗可以激發學生的好奇心，提高專業學習的積極性，培養學生的創新思維口引。在具體實踐中，我們是以驗證性實驗來開設的，以后會進行探索性實驗來進行，并將根據教學效果和學生反饋繼續進行調整。
2.2 熱氧化厚度與氧化時間的關系的仿真程序
其程序設計如下：
go athena
line x loc=0.00 spac=0.01
line x loc=0.6 spac=0.01
line y loc=0.00 spac=0.01
line y loc=0.80 spac=0.01
init silicon
Diffuse time=t temp=T dryo2
extract name="gateoxide" thickness material="SiO～2" x.val=0.3
quit
其中，t表示氧化時間，T表示氧化溫度。以下表1和表2分別在溫度1000℃和1100℃時進行干法氧化實驗時，并分別在不同的時間下抽取所得氧化層厚度的測量數據。干法氧化實驗所選用的襯底材料為P型硅。
表1 溫度T=1000℃ 干氧化dryo2
表2 溫度T=1100℃ 干氧化dryo2
硅干氧氧化層厚度與氧化時間的關系如上表所示，從表可以看出，在同一溫度下，氧化層厚度隨時間增加而增加，基本上是均勻增加的。在同一時間下，溫度越高，氧化層越厚。
可見，在實際實驗教學中，教師可以根據實驗教學需要靈活設計實驗教學內容，從而擺脫固定的書本講授內容的限制。TCAD技術的應用不僅豐富了半導體工藝實驗教學內容，也使學生較早地了解半導體工藝流程和半導體器件的TCAD設計方式，為學生以后更好的適應工作單位的使用需求打下堅實的基礎。
3 仿真實驗教學實施中存在的問題與解決方案
仿真實驗教學在實施過程中也會遇到一些問題，主要有：
仿真實驗是通過程序窗口和編寫命令來實現工藝操作和器件測試的，這使得學生對實際的設備、儀器的使用方法和操作流程沒有概念，也就是說缺少真實的操作經驗。對于這個問題：一方面，可以通過與普通的半導體氧化實驗相結合，掌握一般儀器的使用方法；另一方面，也可以利用到工廠參觀和實習的機會，觀摩實際操作流程，加深對設備的認識。
4 結束語
綜上所述，在半導體工藝實驗教學體系中開設基于TCAD技術的虛擬實驗，可以節約實驗室建設成本，減少實驗時間。虛擬實驗能夠直接觀察實驗過程以及微電子器件內部的各種參數，通過工藝、結構的變化分析工藝和器件的運行機制和工作原理，與相關課程的理論教學密切結合并能擴展和提高，從而激發學生的學習興趣，加深對課程的理解，增強動手能力。合理地安排實驗規劃，采用適當的方法解決虛擬實驗教學中的問題，可以完善微電子專業教學體系，提升教學效果，培養出優秀的應用型微電子專業人才。
【參考文獻】
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關鍵詞：半導體 LED 燈具 散熱
1 散熱機構的設計與半導體燈具壽命息息相關
對于半導體燈具設計，散熱機構設計是設計中的重要一環，散熱機構設計能減少材料從而節約成本、提高LED燈珠的可靠性與壽命，長時間工作使用會比較容易造成每個器件性能降低，半導體燈具急速光衰，并造成安全事故，嚴重影響用戶體驗。
2 半導體燈具的散熱器制造工藝現狀
傳統的半導體燈具僅僅將LED燈珠嵌設在鋁材質制造而成的散熱體內，利用鋁材質良好的散熱性能，將LED燈珠產生的熱量散發出去，進而降低LED燈珠工作時升高的溫度。尤其是對于大功率LED燈珠矩陣都會通過配置大型散熱體來解決散熱問題，然而問題隨之而來：一方面，半導體燈具的總功率不斷上升，為增加散熱面積其對應的散熱體也越做越大，е鋁誦磯嘍鍆獬殺究銷，燈具的重量也無法接受；另一方面，由于LED燈珠在使用時還需安裝于專用光學燈罩內，有時候甚至是安置于一個相對密封的罩體中，由于密封的罩體內熱量無法與外界空氣形成對流，只能通過簡單的輻射和大熱阻的空氣進行很少的熱量傳遞。因此，現有LED燈珠即使使用散熱面積較大的散熱體，甚至散熱體上加置散熱風扇，也無法將LED燈珠發出的熱量迅速帶走，最終導致熱量囤積于散熱體上，使散熱效果大打折扣，從而影響LED燈珠的使用壽命。目前市面上的半導體光源燈具散熱器造型各異，散熱器的制作工藝大都是采用鋁材壓鑄成型工藝和擠壓型材切割工藝制造，導熱系數低、散熱器重量較大、耗材多、后加工復雜、生產效率低、生產成本高。
2.1 鋁合金壓鑄工藝
鋁合金壓鑄工藝和塑料注塑工藝原理接近，都是將原材料加溫成液態后填充到模具型腔形成產品，鋁合金壓鑄的材料有ADC12、A380、A360、YL113，常用的材料是ADC12，相對于其他材料，它更加容易成型，優異的后加工和機械性能。
優點：（1）一體化壓鑄成型，整體性強；（2）外觀可設計弧面，有利于工業造型。
缺點：（1）導熱系數低（約為96 W/M?K）；（2）表面處理受限制。
2.2 鋁擠出成型工藝
鋁擠出成型工藝目前在大功率路燈、隧道燈領域相對廣泛，近年來室內較少用。常用的材料為AL6063，相對于壓鑄ADC12材料，它具有很好的導熱系數（一般為200 W/M?K）。
優點：（1）導熱系數高；（2）容易做表面處理。
缺點：單向擠壓型材，外觀結構受到限制。
2.3 散熱鰭片拼接扣工藝
散熱鰭片常用的是五金沖壓加工得到，容易實現自動化生產，使用的材料有導熱鋁合金。
優點：（1）散熱面積多，需配合風扇形成空氣流效果才能更好；（2）重量輕便。
缺點：成本較高。
2.4 熱管結合散熱鰭片工藝
熱管結合散熱鰭片相對來看成本較高，同時對外觀和尺寸有一定要求。這將導致市面上一些小型公司放棄使用該項技術。
優點：（1）LED燈珠工作時發出的熱能快速傳導到散熱器散熱鰭片；（2）重量輕便。
缺點：（1）工藝相對復雜；（2）成本較高。
2.5 導熱塑料注塑成型工藝
導熱塑料分為兩大類：導熱導電塑料和導熱絕緣塑料。半導體燈具散熱器常用的是導熱絕緣塑料。導熱絕緣塑料主要成分包括基體材料和填料。基體材料包括PPS、PA6/PA66、PPA、PEEK等，填充材料包括AIN、SIC、AL203、石墨、纖維狀高導熱碳粉等。
優點：（1）一次成型，光澤度高；（2）絕緣性能優異，宜采用各種不同的電源方案。
缺點：（1）導熱系數低；（2）重量相對金屬較輕。
2.6 塑包鋁結構工藝
市面上現有的塑包鋁結構分為兩種：（1）導熱塑料和鋁件是獨立分開的2個組件，通常這種做法易成型加工，不需要先把鋁塊放置注塑模型腔內成型加工得到一體，而是后續通過機械固定結構將獨立分開的2個組件固定形成一個整體。（2）導熱塑料和鋁件是一體注塑成型加工得到的。
優點：表面為導熱塑料，絕緣性能好，安全。
缺點：成型工藝復雜。
3 半導體燈具散熱
熱量的3種傳遞方式有輻射、對流和傳導。一般而言，LED燈珠工作時會產生光和熱，散熱器通常就是要把LED燈珠工作時產生的熱散發出去，從能量層面來看，熱并非能量，其實只是傳遞能量的形式，當外界能量沖擊分子，能量就會由高能分子傳遞到低能分子，從微觀層面來看，能力的傳遞就是熱。通常，LED燈珠通過機械結構固定在散熱器表面，LED燈珠與散熱器的接觸良好是決定LED燈珠工作時產生的熱量傳導到散熱器的關鍵因素，半導體散熱器的散熱結構還需充分運用空氣對流換氣，通過傳導與對流，使LED燈珠工作時產生的熱量散發到空氣中。
4 設計優化散熱機構
4.1 半導體燈具散熱設計方法的選擇
散熱機構設計通常使用EFD、ANSYS軟件仿真，通常流體的固定邊界與黏性對流體的阻力所產生的影響，使得流體中的流體元素會小部分受沿程阻力的干擾，另一方面，半導體燈具通常需要增加風扇來加速空氣流動，由于風扇的增加會導致半導體燈具機構設計的復雜性，從另一角度來看，也會大大降低半導體燈具的可靠性。因此，半導體燈具的散熱器采用被動式自然散熱的方式，散熱器的外觀輪廓依據半導體燈具結構來定，因而直接利用半導體燈具外觀從而設計成整體式散熱器，針對散熱器接觸面平整度、基板厚度、散熱片狀條形狀、散熱片數量、散熱片厚度、散熱片與散熱片的空氣流動、散熱片與空氣接觸的面積等，按照散熱器相關設計準則進行優化設計，最后進行打樣測試和分析定論。
4.2 被動式散熱器設計
參照圖1和圖2，半導體燈具的散熱機構包括基板1和燈體2，基板1經過旋壓工藝拉伸出燈體2，再將燈體2上多余部分剪除使燈體2成圓筒狀，基板1經過五金沖壓扭曲后局部向上隆起形成帶拉開片4的散熱葉片3并形成通氣孔5，基板1上第一圍圓形排布設計有14條，第二圍圓形排布有36條向散熱器外部沖壓扭曲的散熱葉片3，拉開片4增加了基板1與散熱葉片3的接觸面積并且垂直分布，結合熱量向上散發的特性，從而加快散熱速度，提高整體性能。
5 結語
目前，半導體燈具得到廣泛應用，其具有體積小、重量輕、使用壽命長和節能效果極佳等優點，但是半導體燈具跟半導體一樣普遍存在發熱量大、熱量不易散發的問題，熱量的積累容易導致半導體光源壽命減少、發光效率降低。上述優化后的被動式散熱器設計具有制作工藝簡單、易一次性成型加工、扭曲過程中較少廢料、材料利用率高、生產成本低等優點。
參考文獻
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為了分析半導體制冷器工藝設計方法與制冷效率的關系，探討其工作壽命的影響因素，文章通過改進半導體制冷器基板材料，采用新型膠黏劑，并通過實驗來對比分析半導體電偶間不同的銅片排布方式對制冷器制冷性能、壽命的影響。實驗結果表明，連接銅片排布回路形式對制冷性能影響不大，但對產品的使用壽命有一定的影響。銅線排列走向簡單，電阻變化率低，使用壽命相對較長。
關鍵詞:
半導體制冷器;制冷性能;基板;銅片回路
半導體制冷技術因其具有的獨特優點而在各行各業得到了廣泛的應用［1-3］。為提高其性能、增強機械強度和穩定性，國內外有關科技人員進行了很多研究工作。宣向春等［4］提出可在普通半導體電臂對的P型和N型電偶臂之間淀積一層厚度適當的銀膜，提高電偶對的制冷性能。李茂德［5］和任欣［6］等認為，提高制冷系統熱端的散熱強度可以改善半導體制冷器的制冷性能，但制冷性能并不能隨散熱強度的提高無限提高。
YANLANASHIM［7］優化了制冷系統設計方法。此外，GAOMin［8］等指出電偶臂的長度在很大程度上影響半導體的熱電性能。YUJianlin［9］等詳細研究了制冷單元的個數和電偶臂的長度對制冷性能的影響程度。本文主要對半導體制冷器的制造工藝進行了分析，討論了不同的半導體銅片連接回路以及半導體電偶對與基板的黏結性能對半導體制冷器制冷效果及其壽命的影響，并通過實驗進行了性能測試，實驗結果可以為提高半導體制冷器的制冷性能及產品壽命提供較好的依據，具有一定的實際指導意義。
1半導體制冷器設計工藝
半導體制冷器的性能主要包括制冷效率和使用壽命，取決于組成半導體制冷器主體的制冷電偶對的設計制造工藝，半導體材料的熱電優值系數及半導體制冷器系統的結構等［10］。本文僅討論半導體制冷器基板材料以及不同的半導體銅片連接回路對半導體制冷器制冷效果及其壽命的影響。
1．1基板設計工藝半導體制冷器的導熱絕緣層由陶瓷基板構成，由1個放熱面和1個吸熱面組成一組，2個面之間由銅片連接不同型的、相互錯開的半導體顆粒，形成回路，如圖1所示。陶瓷基板材料及基板厚度對半導體制冷器制冷效率有顯著的影響。設計采用了質量分數為96%氧化鋁(Al2O3)的陶瓷基板。同時，為提高半導體制冷效率，通過減薄陶瓷基板厚度(由目前的1．00mm，減薄到0．50～0．13mm)，降低熱阻，提高了傳熱性能，制冷效率COP值得到提高，但成本相應增加;另外，也可以將基板換成氮化鋁(AlN)，氮化鋁熱導率為180W•m－1•K－1左右(20℃環境溫度下測試)，而氧化鋁為22W•m－1•K－1左右(20℃環境溫度下測試)，熱導率提高了約7倍，同樣也可以提高COP值，但是基板成本會更高，約為原來的10倍。
1．2銅片回路連接工藝將半導體電偶對、基板和接線端子用銅片焊接起來，形成通電回路。實驗設計了2種不同回路走線方式A型和B型(CP/127/060/A和CP/127/060/B)，如圖2～3所示，圖中粗線為回路走線路徑。由于基板與半導體顆粒間焊接了銅片，半導體顆粒與基板形成剛性連接，在溫度變化的時候材料的內應力很大。因此生產工藝中將半導體顆粒與瓷片用膠黏劑粘接，用于卸去大部分應力，提高產品的壽命。但由于膠黏劑的導熱性較差，制冷性能會受到一定影響。本文采用了自主研發的一種膠黏劑，粘接層很薄，熱導率相對比較高，使得產品具有一定的市場競爭優勢。
2半導體制冷器性能實驗分析
2．1銅片排布方式對性能的影響實驗現場如圖4所示，實驗原理如圖5所示。實驗材料:A型產品和B型產品各5個。實驗時，將整個裝置放置于真空中，測試儀器中設置好控制溫度Th=50℃，先測試最大溫度差ΔTmax值。在每個產品的基板上分別選擇4個測試點，依次遞增施加不同的測試電壓(16～20V)，得到測試數據ΔT值，擬合曲線，找出極值點。極值點對應的ΔT值就是ΔTmax，其對應的電流就是Imax。然后給產品施加Imax的電流，通過加熱片控制冷熱面的溫度差ΔT=0℃，測定此時的制冷量Qc值即為Qcmax，即加熱片的功率。實驗數據如表1～2所示。由表1～2可知，2種不同銅片排布形式，其溫度差ΔT，制冷量Qc的數據差異均在實驗儀器誤差范圍內，針對ΔT，Qc這兩項來說，銅片回路形式對半導體制冷器制冷效率影響不大。
2．2銅片排布方式對產品壽命的影響對2種回路的制冷器分別進行制冷—制熱循環實驗。實驗條件:1個循環為1min(40s制冷，制冷溫度降到0．0℃，電流4．0A;20s制熱，制熱溫度升到100．0℃，電流4．5A);壓力280±20N，2．4萬次循環實驗結束。每0．15萬次循環測1次電阻，若2．4萬次循環之內，電阻變化率超過10%表示產品失效，實驗結束。實驗樣品選擇CP/127/060/A和CP/127/060/B各2組，實驗結果如圖6所示。由圖6可知，在2．4萬次循環結束時，A型產品2組實驗樣品的電阻變化率分別為1．35%和1．45%，而B型產品2組實驗樣品的電阻變化率均在2．04%左右。實驗數據表明，A型基板的電阻變化率相對較低，壽命趨勢相對較長。
3結論
通過理論分析和實驗研究，得到以下結論:1)陶瓷基板材料及基板厚度對半導體制冷器制冷效率有顯著的影響:氮化鋁(AlN)基板因熱導率高于氧化鋁(Al2O3)，可以提高COP值，但其成本會提高;通過減薄陶瓷基板厚度降低熱阻，可提高傳熱性能，提高制冷效率COP值。2)半導體顆粒與瓷片用膠黏劑粘接，可卸去大部分應力，提高產品的壽命。但由于膠黏劑的導熱性較差，制冷性能會受到一定影響。可采用自主研發的膠黏劑，粘接層很薄，熱導率相對比較高，保證產品在市場競爭上具有一定的優勢。3)通過實驗數據對比分析，溫差ΔT和制冷量Qc的數據差異均在實驗儀器誤差范圍內，針對ΔT和Qc來說，回路形式對半導體制冷器制冷效率影響不大。4)在壽命方面，在2．4萬次循環結束時，A型成品電阻變化率分變為1．35%和1．45%，而B型均在2．04%左右。直觀的數據對比顯示A型基板的電阻變化率相對較低，壽命趨勢相對更長。
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技術從來沒有停止它前進的腳步: 20世紀80年代流行的隨身聽早己被MP3和MP4取代; 使用膠卷的相機如今風光不在，價廉物美的數碼相機已隨處可見; 90年代磚頭式的“大哥大”現在己失去蹤影，取而代之的是更小巧、更漂亮的智能手機。多功能的手機已取代計算器、BP機、電子表、MP4、數碼相機、攝像機甚至銀行卡和手持電腦，成為幾乎人人可買得起的多功能電器。這一切在很大程度上要歸功于半導體技術的進步。
計算機行業的發展也同樣離不開半導體行業的技術進步。事實上，計算機核心部分之一CPU的運算能力的提高就與半導體制程工藝的進步密不可分，因為芯片制作工藝的改進意味著在同樣的材料中可以制造更多的電子元件，意味著CPU的集成度的提高，CPU的功耗也越小。業界耳熟能詳的多核處理器其背后就是65納米和45納米半導體制程工藝的出現。半導體工藝的最新進展是，32納米技術即將在2009年進入實用，22納米的技術也在緊鑼密鼓地開發之中。綜觀全球32納米微細技術開發, 主要有4個陣營: 第一陣營是英特爾公司，其次是IBM陣營，第三是日本公司和基本屬于單打獨斗的中國臺灣的臺積電，第四是位于比利時的歐洲微電子中心IMEC等。
“追求最先進”的英特爾公司
英特爾公司的特點是憑借雄厚的研究資金，開發最先進的32納米工藝。
2007年9月英特爾公司領先業界在《開發者論壇》首次展出了32納米工藝的測試用硅圓片。該硅圓片用于測試器件性能和試驗新工藝是否合理，其并非實際的邏輯電路(一般只有生產出可實用的靜態SRAM器件之后才能代表工藝基本成熟)。
按照英特爾公司2007年春天的“緊跟節拍”發展戰略，2009年他們將推出32納米工藝的微處理器并且投入批量生產。該微處理器開發代號為Westmere。英特爾公司的特點是憑借雄厚的研究資金，開發最先進的32納米工藝。
2007年，英特爾公布的第一代32納米技術主要內容為高溫下進行制作的基于金屬鉿的高介電率絕緣層工藝及金屬柵極技術。之前已有很多文章介紹，本文不再贅述。
2008年英特爾已開發出了第二代用于32納米工藝的高介電絕緣介質/金屬柵極技術。在業內率先量產高介電絕緣介質/金屬柵極的英特爾，研究出在高溫退火后形成柵極的新工藝，避免了高溫對柵極的影響。采用第二代32納米工藝制造的多核微處理器可集成19億個晶體管。2008年英特爾的32納米測試芯片為邏輯集成系統芯片和靜態隨機存取存儲器（SRAM）。
參與英特爾研發的有美國美光科技公司，他們已共同開發成功采用34納米工藝技術的多值NAND型閃存。從2008年下半年開始量產的產品是容量為32Gbit多值NAND型閃存，可用于SSD（固態硬盤）。據美光存儲器部門副總裁Brian Shirley稱，該芯片“在量產產品中是bit密度最高的存儲器”。
“堅守傳統工藝”的IBM陣營
IBM陣營的特點是在基本不改變傳統工藝的基礎上開發通用的32納米技術。
與IBM共同開發32納米節點的標準CMOS工藝技術的有7家大型半導體公司，包括美國AMD、美國飛思卡爾半導體、德國英飛凌技術、韓國三星電子、意法ST微電子、新加坡標準半導體和日本東芝。日本NEC和日立公司也陸續加入了這一研發隊伍。經過一年多合作開發，2008年IBM陣營推出了32納米體硅 CMOS通用制造平臺“Common Platform”。該通用制造平臺的工藝采用高介電率柵極絕緣介質和金屬柵極。通過使用高介電率絕緣介質材料和金屬柵極，可使器件性能提高約35%，功耗降低約50%。
IBM的工程師使用了“高介電率絕緣介質先制柵極”(High-K Gate-First)的新工藝。在柵極工藝中，如果在形成柵極的高溫退火工序之前采用Hing-K/金屬柵極，那么金屬受到高溫的影響，會導致柵極工作參數變化，使晶體管特性劣化。IBM陣營研究出了節電型和高速型兩種32納米器件的批量生產技術，并且能有把握將這些標準工藝技術延伸至22納米。IBM陣營所開發的工藝力求盡可能采用傳統工藝并且不大幅增加成本。為了降低成本，其節電型沒有采用成本稍高的應變硅技術。
IBM的Hing-K/金屬柵可以將低功耗氧化層厚度降低約10埃（1納米為10埃），這樣反型層厚度（Tinv）可以達到14埃。更薄的柵氧化層厚度提高了性能，可以將柵長降低到30納米，同時還可將SRAM的Vmin保持在優化的量級。可以將接觸孔靠得更近而不會出現短路的危險。
今年4月，IBM宣布可以讓客戶開始進行32納米芯片的設計。從2008年9月開始，IBM的32納米通用制造平臺已正式開始“流片”試生產（Shuttle Service），已試制成功SRAM、NOR和NAND閃存以及其他邏輯電路。如采用IBM的32納米低耗電工藝試制出了ARM處理器內核“Cortex-M3”。該試制芯片名為“Cassini”，基于通用平臺的32納米工藝明年5月完成，并將從2009年年底開始批量生產。第二次流片計劃將于2008年12月啟動，IBM和它在Fishkill的合作伙伴計劃在2009 年下半年開始進行32納米低功耗工藝的量產。
IBM公司和英國ARM于2008年10月采用IBM陣營的體硅 CMOS通用制造平臺“Common Platform”，共同開發專門用于32納米、28納米工藝的經過優化的物理IP（標準單元和Memory Generator等）。他們在進行32納米、28納米工藝技術開發的同時，合作完成器件版圖即物理IP的優化布局等工作。這樣，可充分發揮32納米制造工藝的特長，提高器件的質量和可靠性。
ARM的物理IP業務的競爭者――美國Virage Logic也于2008年10月在美國了32納米商用物理IP的專用化技術。
“極力降低成本”的臺積電
臺積電的特點是盡量延長45nm工藝的壽命，以便能最大限度降低代工生產的成本。
臺積電已開發成功不需要采用高電介質柵極絕緣介質和金屬柵極的32納米技術工藝。這種低成本的32納米工藝采用了其45納米工藝中使用的SiON柵極絕緣介質。用SiON柵極絕緣介質可生產模擬和數字的集成系統芯片。在此基礎上，2008年10月公布了其28納米的工藝，該工藝有面向低功耗集成系統的SiON柵極絕緣介質技術和面向高功能集成系統的高介電率柵極絕緣介質/金屬柵極技術兩種。低功耗型適用于生產手機的基帶LSI和應用處理器等。與該公司的40納米工藝的低功耗型產品相比，器件的柵極密度為其2倍，工作速度最大可提高50%。器件功耗在工作速度相同的條件下可降低30%～50%。高功能型適用制造微處理器、圖形處理器和FPGA等通用器件。與該公司40納米工藝的高功能型相比，在功耗相同的情況下，器件柵極密度為其2倍，工作速度提高30%以上。參加臺積電研發的有與其合作多年的美國德州儀器公司的工程師。
應指出的是，臺積電開發的SiON柵極絕緣介質32納米節點技術, 相比高介電率柵極絕緣介質/金屬柵極工藝，由于可減少柵極電容，從而降低器件功耗。但其缺點是器件漏電流沒有顯著降低。臺積電認為，面對更加重視降低運行時功耗的需求（例如手機等便攜產品），與注重減少漏電流的高介電率柵極絕緣介質技術相比，SiON柵極絕緣介質技術更具優勢。
2008年10月在日本橫浜舉行的技術研討會臺積電宣布, 2010年年初開始量產的28納米工藝仍將采用液浸ArF光刻 。
“著眼于批量生產”的日本公司
日本公司的 特點是: 開發出了在更微細線寬條件下的防漏電的新型電極材料以及防止重疊配線層之間相互影響的層間絕緣材料。
在半導體行業的競爭隊伍中也有日本公司，限于財力，它們主要開發32納米節點的批量生產工藝和關鍵技術。
由日本各半導體廠商聯合出資組成的先進集成電路的開發組織Selete（半導體尖端技術的縮寫）已開發成功32納米大規模集成電路的制造工藝。其要點有三: 一是開發出了在更微細線寬條件下的防漏電的新型電極材料; 二是開發出防止重疊配線層之間相互影響的層間絕緣材料; 第三，日本早稻田大學開發了新電極材料, 可加速32納米半導體技術的實用化研究。
防漏電的新電極材料是用于控制晶體管柵極的絕緣性能。傳統的晶體管的柵極材料采用的是多晶硅。為了絕緣, 在多晶硅周圍使用了氧化硅。然而隨著器件的微細化，這會產生漏電流過大的問題。為解決這一問題，經試用多種材料后，Selete和日立公司確定采用氮化鈦TiN作為柵極。傳統的集成電路由pMOS和nMOS兩種晶體管組成。經試測，TiN對于這兩種晶體管電路均適用。即采用TiN后，有效地防止了漏電流。
絕緣材料采用了硅酸鉿（Hafnium Silicate）。一般nMOS摻雜MgO，而pMOS摻雜氧化鋁。如果pMOS和nMOS采用相同的金屬柵材料，則可簡化工藝和降低制造成本。此外，所開發的32納米器件將通、斷電壓降低了0.2伏。由此，可期待該器件適于高速工作。
Selete的層間絕緣材料采用多孔氧化硅（Poraus Silica）。即在氧化硅上分布有無數個直徑約4納米的小孔。該孔為原來的二分之一。導電率為2.4，滿足了32納米器件的要求。
早稻田大學和物質材料研究研究所合作開發成功了用于32納米半導體的新材料。這種材料由合金和炭組成，其可使器件穩定工作并且大幅度降低功耗。
NEC公司了通過降低層間絕緣膜的介電率（low-k），從而實現包括層間絕緣膜的任何層都可連續成膜的32納米工藝的布線技術。
日本富士通開發出了不使用金屬柵極材料的32納米工藝CMOS技術，可降低生產成本。
日本松下和瑞薩公司合作，開發32nm量產工藝技術。它們采用氮化鈦作為在高K金屬氧化物絕緣層中的電極導電膜。該工藝將用于生產手機和家電中使用的器件，可減少漏電流，降低器件功耗。
“側重存儲器”的IMEC陣營
IMEC陣營的特點是除通用的邏輯器件外，側重于開發32納米存儲器工藝。
位于比利時的IMEC陣營由十個核心伙伴組成，他們是: NXP（原飛利浦半導體）、德州儀器、英特爾、意法半導體、英飛凌（原西門子半導體）、奇夢達（Qimonda由英飛凌分拆出，專門生產存儲器）、三星、松下、美光和我國臺灣的臺積電。此外還有幾個重要伙伴（日本Elpida、韓國Hynix與中國臺灣力晶）。
2008年1月IMEC陣營公布了柵堆疊32納米技術。它們采用鉿基高介電絕緣介質及TaC碳化鉭金屬柵極，顯著提高了平面CMOS的性能。通過在柵絕緣介質及金屬柵極之間增加一薄層帶隙層電介質，實現了較低的閾值電壓。它們為pMOS和nMOS分別制造絕緣介質上的帶隙層和金屬電極層，通過追加離子氮化時的掩膜工序, 將制作pMOS柵極和nMOS柵極的工藝區別開來。其nMOS中的帶隙層可以是La2O3或Dy2O3。具體方法是，在Dy2O3層的上部設計TaCx碳化鉭電極。通過離子氮化，使TaCx變成功函數較大的離子氮化碳化鉭TaCxNy。未采用Dy2O3帶隙層時，碳化鉭TaCx和離子氮化碳化鉭TaCxNy的功函數分別為4.4和4.8eV，增加帶隙層之后，功函數則接近4.2和4.9eV。此外，柵堆疊層的激光退火工藝明顯降低了極限柵長度，增強了對短溝道效應的控制。相同的工藝可望應用于22納米的Fin場效應晶體管中。
2008年6月IMEC宣布，他們的32納米先制柵極和后制柵極工藝都獲得了成功。特別是采用先制柵極技術、軟掩模技術和濕清洗液，通過將雙金屬、雙電介質絕緣層改變成單金屬、雙電介質絕緣層的平面CMOS工藝，將工序數目由15個減少到9個。再加上傳統的應力增強技術，使得nMOS和pMOS晶體管的性能分別提高了16%和11%。結果使逆變器的遲延時間由15ps縮短至10ps。由此，除提高器件性能外，還可降低批量生產的成本。
22納米曙光初現
IBM陣營的22納米工藝對傳統芯片工藝并不做大的變動。這不僅降低了技術難度，而且可大幅度減少生產成本。
由于IBM陣營集中了全球主要半導體公司，通過合作在22納米工藝開發上進展迅速。2008年8月他們在全球首先了在美國Albany納米技術研究室試制成功的22納米的SRAM芯片。其工藝技術有以下七個特點: （1）高介電率柵極絕緣層/金屬柵極: （2）柵極長度小于25納米的晶體管; （3）薄隔離層; （4）新的離子注入方式; （5）尖端退火技術; （6）超薄硅化物; （7）鑲嵌Cu觸頭。該芯片光刻采用了高數值孔徑（high- NA）的液浸光刻技術。
要特別指出的是，與32納米工藝一樣，IBM陣營的22納米工藝對傳統芯片工藝并不做大的變動。這不僅降低了技術難度，而且可大幅度降低生產成本。在此基礎上，底氣十足的IBM陣營最近宣布，其在22納米工藝上已領先于英特爾公司。
有關專家指出，制約芯片微細工藝進展的難點主要是光刻技術。新一代光刻在技術上要求高，制造設備的成本極高，絕大多數公司無力單獨承擔。而IBM公司的22納米工藝，主要是在光刻上有重大突破。其使用了Mentor Graphics公司計算縮微光刻技術，利用現有的縮微光刻工具并通過大量的并行計算來生產，只要將目前的設備加以改進，便可完成22納米芯片的光刻工作。計算縮微光刻是一種新的技術思路和嘗試，其核心是利用軟件對整個工藝設計進行優化。
筆者認為，在此全球金融危機之刻，IBM等公司在基本采用傳統芯片工藝基礎上開發新一代尖端工藝和技術的思路值得大力提倡。特別是在硬件上暫時無法實現時，充分發揮軟件技術的優勢，軟硬結合開拓新的發展途徑。IBM等公司的實踐說明，通過強強聯手、軟硬結合，充分發掘現有設備和技術的潛力，可攻克技術難關，這是當前形勢下先進技術開發的一條值得推薦的途徑。
鏈接
制程工藝的進步
推動處理器的升級
英文名稱：Chinese Journal of Semiconductors
主管單位：中國科學院
主辦單位：中國科學院半導體研究所;中國電子學會
出版周期：月刊
出版地址：北京市
語
種：雙語
開
本：大16開
國際刊號：0253-4177
國內刊號：11-1870/TN
郵發代號：2-184
發行范圍：
創刊時間：2010
期刊收錄：
CA 化學文摘(美)(2009)
SA 科學文摘(英)(2009)
CBST 科學技術文獻速報(日)(2009)
Pж(AJ) 文摘雜志(俄)(2009)
EI 工程索引(美)(2009)
中國科學引文數據庫(CSCD―2008)
核心期刊：
中文核心期刊(2008)
中文核心期刊(2004)
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中文核心期刊(1996)
中文核心期刊(1992)
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中科雙效期刊
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在全球金融／經濟風暴的襲擊下，世界半導體業2008、2009連續兩年陷入困境，出現負增長，2010年觸底強勁反彈。WSTS(世界半導體貿易統計協會)去年秋季曾預測，當年市場將大幅增長31.7％，市場突破3000億美元大關，達3004億美元，是十年來增長最快的一年。可是，冷暖相依，大多市調公司對2011年市場并不看好，預期增長率僅能在5％上下，徘徊于個位數的低端。預測不過是預測而已
最近WSTS發表了今年1月份的數據統計，世界半導體的銷售額達240億美元，同比勁增16％，而環比(比上年12月)僅下降4.5％，是自1999年以來12年中下降最少的一年(據統計，1999～2010年間每年1月的平均環比負增長率達20％)。
依據上述數據，市場調研公司Ic Insights將歷年的詳細數據加以推算，再加上最近如美國失業率減少、新興經濟國家需求殷切等的經濟積極因素，該公司對今年世界半導體市場前景表示樂觀，認為可增長10％左右。
無獨有偶，VLSI公司在3月份競兩次上調今年世界半導體市場的增長率，尤其引人矚目。該公司不久前曾表示，去年世界半導體市場增長了30.9％，預測今年將增長8.1％，達2687億美元，雖然承認今年市場確有許多不確定因素，但鑒于首季度的市場運行情況，于3月2日將今年的增長率上調至8.9％，達2707億美元。等到3月30日，一季度的半導體市場表現紅火好于預期，今年快速提高了11.6％，銷量也從11％提高到14％，因此一季度為全年發展構建了良好基礎。于是，VLSI公司便再次將今年世界半導體市場的增長率上調到12.2％，并認為即使有石油漲價、通貨膨脹、日本地震等種種不利因素，未來幾個季度運行速度可能會趨緩，但至少可保持兩位數的增長率。
Ic Insights公司預測，今年熱銷的半尋體產品有數據轉換電路、汽車專用模擬電路和MPU等，日前又特別提到了。-O-D(光電器件一傳感器／傳動器一分立器件)市場，3類產品總銷售額將比去年上揚10.2％，達583億美元，其中光電器件增長兒％，達2.64億美元；傳感器／傳動器增長15％，達85億美元；分立器件增長8％，達234億美兀。
由于日本3，兒地震曾導致lS座晶圓廠生產中斷，對半導體業造成不良影響，Ic Insights公司最近又出版了一份相關報告。據其統汁，世界半導體制造產能中有63％位于地震活動帶，晶圓代工產能更超過90％，尤其是位于中國臺灣地區的世界兩大頂級晶圓代工廠
臺積電和聯電，一旦遭遇地震或颶風災害，則將對整體電子產業供應鏈造成巨大沖擊(見表1)。
450mm晶圓即將上馬
自1980年半導體業界采用100ram晶圓進行生產，大約每s年前進一代，1985年采用150mm生產；1990年采用200mm生產：1995年采用300mm~產。可自300mm以來已超過15年還未走向450mm新一代晶圓，時間可謂長矣，近年雖議論不少，可始終未見具體計劃。
究其原因，主要是缺少突破型新產品需求的驅動力，據說300mm晶圓線的巨額投資，廠商還沒全部收回，因而缺少投資新一代工藝的經濟實力。另外，開發新一代技術已不像以往各代的工藝主要是重復，而是要求制造設備廠商具有綜合開發能力，包括工藝開發、材料準備、軟件編寫、工廠自動化等，龐大的資金和專業知識均非易事。當前，即使像應用材料和東京電子這樣世界最大的設備制造公司在資源方面也難于獨立完成這樣的開發。
2008年5月、Intel、三星和臺積電共同發表實施4S0mm生產線的聲明時，業界一時震動。可其后適，遇經濟風暴，市場陷入低迷，計劃亮起紅燈。直到不久前，人們才又見到促進派特別是Intel和臺積電的動靜，發表了較為具體的發展路線圖。臺積電計劃2013～2014年完成試制生產線，2015～2016年實現量產，并計劃2012年第三季度開始在450mm晶圓上采用20nmI藝技術進行生產。Intel公司2月宣布，即將投資50億美元以上，在亞利桑那州建立42號工廠，采用14nm以下工藝，2013年建成，據稱將是世界上最先進的工廠。
臺積電4月5日在美國圣荷塞舉行的技術論壇上，詳細透露了公司的450mm晶圓生產計劃。臺積電將全力向4S0mm時代挺進，目的之一是降低成本，其二是爭取比競爭對手搶先一步。450mm生產線約需投資100億美元，其中設備費尤為高昂，但其生產率可比300mm生產線提高1，8倍，且可減少工廠數量，避免面臨尋找大量優秀工程技術人員的難題，未來lO年將減少人員需求7000人。據悉，臺積電將首先在新竹第12號工廠建立試制線，預計2013~2014年投入運行，然后轉入臺中第1s號工廠進行量產，計劃2015～2016年完成。初時采用20nm工藝，未來將轉向14nm工藝。
摩爾定律何時到頭?
在半導體業界一向奉為圭臬的摩爾定律到頭之論早已有之，iSuppli公司2009年便聲稱摩爾定律即將于2014年失效，曾引起熱烈議論。被譽為臺灣集成電路之父的臺積電董事長張忠謀于今年4月下旬出席“全球科技高峰論壇”時又表示，摩爾定律大約再過6～8年將走到極限。他說，摩爾定律以往平均每兩年進入新的一代，未來IC的微細化發展空間已不大、倒是電路板方面還有發展空間，未來勢必要往新的應用發展，如低功耗等。
微細化技術發展的困難日益增大，速度趨緩，從2003年的90nm工藝、2005年的65nm工藝、2007年的45nm工藝到2009年32nm，都是兩年一代。跨入2010年以后工藝革新的間隔時間將延長，預計將從2011～2012年的22nm、2014～2015年1snm到2017～2018年llnm，將放慢到2，5～3年一代。
今天的半導體業除了繼續走傳統微細化道路的所謂“More Moore(更摩爾)”方式之外，業界還提出了有別于此的所謂“More than Moore(超摩爾)”的發展道路。它包括通過3D方式提高集成度，以及將模擬電路、功率器件、傳感器、生物芯片、無源元件等集成在一個封裝里，稱為SIP(System In a Package)。另外，“Beyond CMOS(后CMOS)”也是業者提出的另一方式，即利用與現有MOS晶體管不同原理進行工作的新器件，包括將原子、量子、光、自旋電子等用作芯片布線等技術，并將成為本世紀20年代的基礎技術。
總之，未來集成電路必將走上多樣化的發展道路，“More than Moore”和“Beyond CMOS”將成“MoreMoore”技術發展的原動力。此外，還有化合物半導體(Ge和III-V族半導體)材料的應用也值得注意，業界有“得材料者得天下”的說法。激蕩的未來十年
無論如何，微細化的道路還將走下去，當前32nm工藝已成主流技術，今年世界主要半導體廠商如Intel、臺積電、Global F、三星等公司即將跨入22nm新一代技術，但綜觀世界半導體業各生產公司，自130nm以下，共有6代生產工藝并存于世(圖1)。預計明年22nm將成主流生產技術。
另外還有一種提法，認為微細化技術在NAND flash等的牽引下，不斷采用新的手段，前進步伐還將加快，超過了ITRS(國際半導體技術發展路線圖)的預測，今年1Xnm技術即將成事，9nm技術也已在實驗室開發成功。若依ITRS路線圖，2024年將進入5nm時代，屆時每平方厘米尺寸的芯片上，集成的晶體管數將超過250億個。當然，它必須經過革新原有技術，應用新的半導體材料。
總之，世界半導體業將在這新的十年里閃展騰挪，爭時立新，人們必須清醒地認識到這一點，方能不失時機地擇機而進。2011～2012年22nm工藝付諸量產時，現有的MOS晶體管結構和材料尚可維持，可到2014～201s年15nm時代以后，就必須要開發提高產品性能的新技術了。
