这家设备公司，芯片未来的关键

来源:半导体行业观察发布时间:2023-09-251114浏览

来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自WSJ，谢谢。

科技公司继续提供速度更快、功能更强大的计算机的方式正在原子层面发生深刻的变化。

几十年来，性能提升主要是通过缩小微芯片上的单个组件（通常被称为摩尔定律）来实现的，现在越来越多地是材料科学的结果，材料科学的发展速度比几十年来更快。总部位于圣克拉拉的应用材料公司成立于 1967 年，比英特尔早一年，是引领这一趋势的最大公司。

这是一种必然而生的改变。芯片制造商正在面临芯片上元件的微小程度的严格限制，因为它们的一些功能现在只能在几个原子的尺度上进行测量。

因此，操纵这些微型机器中的材料以及它们如何相互连接，已成为工程师继续使它们更快、更强大的主要方法。

应用材料及其竞争对手泛林研究、东京电子和KLA在某种程度上都是材料科学公司。材料科学是一个跨学科领域，结构工程和化学工程一样，都是为了提出新化合物以及使用它们的新方法。

应用材料公司还发明了新的制造工艺，并制造了可以在极其复杂和昂贵的微芯片工厂（称为晶圆厂）内实施这些工艺的设备。随着微芯片功能的缩小，对错误的容忍度也随之缩小，制造微芯片所需的步骤数量也随之增加，而且每一代晶圆厂的成本都增加了十倍。目前建造一座新建筑的成本已超过 100 亿美元。

随着美国竞相减少对海外工厂关键微芯片供应的依赖，这些相同类型的设施将获得《芯片法案》的巨额激励。《芯片法案》是一项旨在促进国内半导体制造的新法律。

在应用材料公司的研究机构内，工程师们正在研究提高未来微芯片性能的新方法。

应用材料公司及其竞争对手几十年来一直致力于制造更快的微芯片。但随着摩尔定律的消亡，他们确定哪些原子进入芯片内部的位置的能力变得比以往任何时候都更加重要。

需要明确的是，工程师们仍在缩小芯片上的功能，尽管速度比历史上的常态要慢得多。摩尔定律的任何表面现象仍在继续——毕竟，仍然有一些原子可以缩小芯片内部特征的尺寸——这在很大程度上要归功于荷兰公司 ASML。该公司生产巴士大小、重达 180 吨的超复杂设备，能够以前所未有的奇特方式操纵极紫外光。

下一步是应用材料公司及其竞争对手的介入：这些公司与芯片制造商和 ASML 等其他供应商密切合作，使制造芯片所涉及的大部分其他步骤成为可能。

这是一个在原子水平上进行雕刻的过程。主要咨询公司 TechInsights 的高级研究员斯科特·琼斯 (Scotten Jones) 表示，世界上最先进的芯片是通过层加法（厚度仅为原子的层）以及相同纳米尺度上的化合物减法的过程逐层构建而成，这种方法也被半导体制造业广泛采用。

随着我们在二维硅晶圆上制造不同特征的尺寸达到极限，芯片制造商已经转向三维，向上制造芯片。这意味着芯片的处理元件可以更接近内存、电源和通信，从而使芯片速度更快、功能更强大，即使其功能尺寸保持不变。

应用材料公司在原子水平上突破了雕刻材料的界限

但制作三维芯片意味着制造过程更加复杂，萨勃拉曼尼亚·艾耶 (Subramanian Iyer) 表示，他在该公司工作了 30 多年。

描述这种复杂性的一种方法是谈论芯片中有多少个布线层。每个布线层都专用于在芯片其他部分之间传输电子的通道，因此它们代表了芯片总体的层数。

“在 90 年代末，具有 6 层布线的芯片是最先进的，”Iyer 博士说。“现在其中一些芯片有 19 到 20 层布线。”

如果微芯片是建筑物，那么过去的简陋平房就变成了高耸的高层建筑。

琼斯说，一般来说，三维微芯片越多，在其上沉积的材料就越多，蚀刻掉不想要的部分就越重要。这就是应用材料公司及其竞争对手完成的芯片制造的一部分。

要理解为什么会出现这种情况，需要了解光刻（使用光穿过掩模照射，在芯片上绘制元素图案的过程）从根本上来说是一个二维过程。像 ASML 这样专门从事光刻技术的公司可以使用各种令人费解的技巧来获得用于在硅芯片上制作图案的光线，其细节越来越接近单个原子的大小。

但是在芯片上添加另一层，然后再在其上添加一层又一层呢？这是应用材料公司等材料科学和材料工程公司制造的专业知识和设备。在光刻过程中曝光后，需要巧妙的化学方法来蚀刻掉硅硅片上不需要的部分。

(LR) 洁净室中 Centris Sym3 蚀刻系统内的晶圆，晶圆沿着悬挂在天花板上的自动轨道移动，洁净室中的 Centris Sym3 蚀刻系统

以世界上最先进的逻辑芯片为例。这些是尖端计算机中的中央处理单元，无论是在手机、数据中心还是车辆中，它们在功能上与负责内存或支持无线通信的微型无线电的芯片不同。

应用材料公司企业战略和开发主管 Tristan Holtam 表示，这样的逻辑芯片可能需要超过 1,500 个单独的制造步骤。

TechInsights 的琼斯表示，所有这些步骤都是必需的，因为这些芯片在三维空间中延伸的距离有多远。他补充说，每一层都可能需要多个制造步骤——使用光将图案刻录到芯片上，在原子厚的层中沉积材料，或者有选择地蚀刻掉不需要的材料。

例如，在最新工艺之一中，芯片制造商正在铺设额外的纯硅层，以及包含其他元素（例如锗）的硅。琼斯说，在此过程中添加到芯片顶部的所有原子都必须排列在完美的晶格中，以便最终形成的“水平纳米片”（构成单个晶体管的一部分）发挥作用。尽管这两种物质非常相似，但硅锗部分必须在不接触纯硅的情况下被蚀刻掉——这是一项非常具有挑战性的任务，需要更多的材料科学。

所有这些步骤都必须在完全无空气的室内进行。即使是最微小的缺陷也可能意味着正在制造的微芯片无法工作。

与此同时，其他所有有影响力的芯片公司——以及你经常听到的所有名字，包括英特尔，台积电和三星都成为了他们的客户。

随着芯片制造商要求更多创新，应用材料公司正在硅谷现有研发中心旁边建造一座耗资 40 亿美元的新研发中心。在内部，其客户将能够尝试制造芯片的新方法，而应用材料公司正在开发其最新的尖端方法。

应用材料公司的霍尔塔姆表示，这样的设施是必要的，因为继续突破硅基微芯片的极限意味着在微芯片制造领域中探索一个“令人难以置信的复杂性”世界。

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