Q&A：半导体制造的过去、现在与未来
半导体制造的过去、现在与未来：与行业顾问卡尔怀特(Carl White)的互动问答
摩尔定律是英特尔联合创始人 戈登 E.摩尔(Gordon E. Moore) 于 1965 年首次提出的概念，他预测集成电路（或微芯片）上的晶体管数量每两年便要增加一倍，而计算成本却要降低高达一半，从而使计算能力呈指数增长。半导体行业一直在努力跟上这一范式，但是要在更小的空间中不断提供更高的处理能力却并非易事，尤其是当竞争对手均朝着相同的目标迈进并且消费者对先进技术的需求持续不变的时候。
很大程度上应归因于摩尔定律，“我感到一种渴望-对速度的渴望！”这句话更像是对半导体行业日常的描述，而不只是电影 《壮志凌云》(Top Gun)里的一句复古台词。这是我们最近与 C.L. 首席行业顾问同时也是行业资深人士的 Carl White 进行对话后获得的许多重要收获之一。 怀特工程服务有限责任公司（White Engineering Services, LLC.） 在整个半导体产业供应链的企业中工作了近 40 年之后，卡尔对持续的速度需求（包括开发和加工能力）提出了极富针对性的见解。请继续阅读，以了解他关于以往需要进行足够快速的创新以跟上摩尔定律的要求、半导体行业当前面临的挑战以及在不久的将来可以看到的产品的看法。
世伟洛克博客 (SRP)： 卡尔，感谢您加入我们的访谈。您能否先介绍一下自己的背景？
卡尔怀特：我是亚利桑那州人，在 1982 年进入半导体工艺设备制造商ASM 之前，我曾在亚利桑那州立大学学习工业技术管理和机械工程。自那时起，我曾先后在当时摩托罗拉（ Motorola）旗下的 Spectrum 薄膜沉积工艺、索尼旗下的材料研究公司（Materials Research Corporation）、 东京电子（Tokyo Electron，亦可称之TEL）和应用材料公司（ Applied Materials ）工作。在我从事半导体行业的 38 年时间中，有 28 年是在 OEM（设备商） 领域工作，另外 10 年则是在芯片制造商摩托罗拉半导体产品部工作。在过去 15 年致力于 ALD（原子层沉积）技术的研究之后，我于去年从 ASM 退休。目前，我向本行业内的公司提供咨询服务。
SRP： 听起来您的观点很有趣，您已经广泛参与了本行业中的OEM设备商 和芯片制造商方面的工作。是什么因素驱使您将自己的职业生涯投身于这项事业呢？
卡尔怀特： 这是一个节奏极快的行业。随着技术的不断变化，在这一领域工作的人员不仅要具有创造力而且要持续学习。因此，不可能感到厌倦！由于半导体技术在几乎所有其他行业中都很重要，目睹我从事的设计工作如何推动变革同样令人兴奋。
SRP： 您看到了哪些元趋势推动了半导体行业的发展？
卡尔怀特：早期是太空计划。后来是消费者技术。我们从使用计算尺发展到手持式计算器，从个人电脑发展到智能手机，正是由于半导体技术的进化才使得这一切成为可能。现在，我们看到人工智能和自动驾驶车辆正在推动着变革。一个恒久不变的主题就是需要更快速地生产产品和传递信息。为满足对更高计算能力的需求，需要持续开发新的半导体技术。
半导体创新领导力的竞争也是一种驱动力。这不仅涉及公司之间的竞争，而且还会在全球范围内展开竞争。随着时间的流逝，不同的国家曾先后引领过半导体技术的发展，而这些动态变化有时会促进行业层面上的进一步协作。例如，1987 年有 14 家美国半导体公司与美国政府联合成立了芯片制造联盟 SEMATECH，以提高他们生产的芯片的质量，从而保持在全球市场上的竞争力。这加速了美国半导体产业的发展。当时，许多公司都在尝试多管齐下……设计、制造和销售芯片技术。后来，他们认识到了专业化的优势，从而创建了为其他公司制造芯片的代工厂，这还有助于优化行业发展。
SRP： 您能否解释一下芯片密度与半导体技术及其驱动的电子技术的发展之间的关系？这对生产芯片所需的设备和元件有何影响？
卡尔怀特：为了符合摩尔定律，微型化是一种永恒的需求。为了将更多的晶体管集成在芯片上，您需要使其越来越小巧。为适应制造工艺的不断进步，您还必须调整设备。1990 年代末期至 2000 年代初期是一个重大转折点，当时该行业将作为芯片基础的硅晶片尺寸从 200 mm 转变为 300 mm，而这需要更换大量的生产工艺和设备。用于 45 nm（纳米）晶体管的高 K（介电常数）栅极的开发减少了电子泄漏，这是该行业追求微型化的又一重大进步。我很幸运地致力于开发英特尔用于生产这些设备的设备，因此见证这一变革令人兴奋。目前来看，各公司正在致力于 5 nm 芯片的生产。
总的来说，我们已经看到一些公司正试图转移到更小的工艺节点，这意味着制造更小的半导体技术特征尺寸，并力争以每 18 个月的速度制造出更小、更快、更节能的晶体管。这超出了摩尔定律的预测（每两年迁移到更小的工艺节点），因为这就是竞争对手努力的结果。
半导体制造商会告知 OEM设备商 他们在芯片性能方面希望达到的目标以及可能需要的生产工艺。OEM设备商负责制造可以实现这种性能的生产设备，为此，他们与世伟洛克这类公司合作以获得现有元件或合作设计新元件，从而制造出所需的设备。如果半导体公司要跟上创新的速度，这种协作至关重要，因为只有协作才能够帮助 OEM 获得他们当前所需的元件并帮助元件制造商预测行业的未来需求。
SRP： 究竟是特定电子应用的市场需求会推动半导体创新，还是芯片技术的进步通常会抢占市场需求？
CW： 事情可能向两个方向发展。有时，要求不断发展半导体技术的总体压力可能会带来重大突破，然后市场才了解如何利用该技术。例如，在 1990 年代，计算能力迅猛发展，但是缺乏充分利用芯片技术的能力所需的软件知识和技能，因此应用落后于处理能力。但是在其他情况下，可能面临使现有应用执行更多任务的压力，我们看到目前更多的情况是需要为数据处理和 A.I. 应用提供更大的支持。
从根本上讲，我们已经见证了三个需求时代。从 1960 年代到 1980 年代，一切均与赋能计算机和计算设备有关。那时，我们在芯片上集成数以千计的晶体管。从 1980 年代开始，我们看到重点已经转移到赋能笔记本电脑和手机等移动技术。至此，我们已经在芯片上集成数百万个晶体管。在过去十年间，随着我们创建更加互联（随着物联网和推动全天候社交互动的智能设备的兴起）且以数据为中心的技术（随着大数据和机器学习等趋势创造需求），数据传输和存储正在推动着需求。
SRP： 对更小巧、更强大芯片的持续需求如何影响半导体制造中使用的流体系统元件的性能要求？
卡尔怀特： 随着时间的流逝，半导体芯片几何形状的变化推动了对芯片制造工艺中使用的各种流体系统产品的需求。特别是随着晶体管变得越来越小，防止其在加工过程中受到污染至关重要，因为污染会影响良率和芯片可靠性。必须避免不受控的工艺和元件污染。因此，该行业从波纹管阀（更长的循环寿命）转向具有更少“死区”、更少气体容纳量以及更少活动部件的隔膜阀（历来更洁净）。
现在，随着最近 世伟洛克® ALD20 阀门的发布，我们看到这款阀门拥有波纹管阀带来的高流量优势，而波纹管阀仍具有现代半导体制造所需的超高纯 (UHP) 性能。之所以能够做到这一点，部分原因是制造工艺随着时间的流逝而得到改善，而且我们还可以使用 增强型材料，例如优质的 VIM-VAR 钢和耐腐蚀合金。还采用了更好的加工技术，例如电抛光和钝化以及在产品发布之前比以往更合适的测试方式。过去，我曾见过一些公司竞相率先推出一项技术，但其元件质量不够理想，这给我们带来了很大麻烦。重要的是要了解，在半导体领域，产品应遵从承诺的开箱即用；值得信赖的元件保持一致性并传输可重复的性能极为关键。
SRP： 与先前的问题类似，究竟是不断发展的阀门技术实现了新的芯片生产工艺，还是半导体制造的进步推动了流体系统的创新？
卡尔怀特： 半导体制造工艺的改变无疑在界定我们需要的 UHP 超高纯阀门和其他流体系统元件中起着重要作用。在制造微芯片时，通常在结晶晶圆（例如硅）上覆膜，例如：在沉积反应室中将按一定次序精确剂量的前驱气体涂覆，以便在固化之前均匀地涂覆晶圆。我们越来越多地采用液态和固态前体化学品，并通过高温和精心控制的工艺将其汽化，然后使用 UHP超高纯阀门将其置入晶圆。这些化学品通常不很稳定，并具有侵蚀性和腐蚀性特征，从而使其难以有效使用。
由于无法有效地控制化学气相沉积 (CVD) 和该工艺中使用的前驱体，因此不利于我们当今看到的小型晶体管尺寸制造芯片。我们通常依赖原子层沉积 (ALD) 和原子层蚀刻 (ALE) 工艺。 正是由于这些工艺和化学方法的变更（例如，由于铜的电导率较高，该行业自 1990 年代从铝材料金属互连转向了铜材料金属互连）才需要更换元件。
早期阶段， OEM设备商 就意识到令人失望的芯片良率通常是由制造工艺问题而非设备缺陷引起的。水分、暴露于大气中的反应性化学品、在阀门中形成残留物并影响阀门密封性的颗粒均是该行业所遇到的挑战。我们已经了解到，只有不断发展才能应对各种工艺挑战，这通常是通过先进的流体系统元件和系统设计来实现的。这对我们的结果产生了积极的影响，但同时也影响了芯片制造工艺和对其支持性元件的性能方面的要求。
卡尔怀特： 如果这是半导体制造发展的历史画卷，那么当今行业将面临哪些挑战，而这又将如何影响流体系统元件需求？
CW： 要进入芯片制造的下一阶段，我们需要可靠的产品控制、可重复性和阀门制造一致性。半导体设备需要数量庞大的 UHP超高纯阀门，并且难以在各个阀之间获得完全一致的性能，但是我们需要保持制造的一致性。这不仅关乎高品质的产品，而且每个阀门的质量必须完全相同。
此外，温度变化事关紧要。我们需要在更高的温度和流量下保持性能的一致性。现在，人们更加重视 3D NAND 芯片的制造，这意味着随着晶体管彼此堆叠，更多的材料将被层叠到芯片上更深的缝隙中，因此您需要将更多的前驱体介质（可能是气体的 200 倍）引入至晶圆才能有效地涂覆这些位置。公差越来越严格，这意味着可变性的容许性越来越小。
“要进入芯片制造的下一阶段，我们需要可靠的产品控制、可重复性和阀门制造一致性。”
SRP： 除了精确的剂量、温度稳定性和流量之外，该行业还需要 UHP超高纯阀门具备哪些特性才能继续符合摩尔定律？
卡尔怀特： 我们还必须关注于洁净度和耐腐蚀性。 材料科学在这里有着举足轻重的作用。例如， ALD20 阀门 采用 22 合金（® C22 哈氏合金），因为该材料可以承受强腐蚀性化学物质。但尽管如此，即使是这种材料也无法适合每一道工序。随着几何形状的变小和前驱体化学品的侵蚀性变大，可能需要特种镀层才能应对不同的化学物质。开发此类镀层既困难又昂贵，但我们对工艺中腐蚀的容许性越来越低。
这是流体系统解决方案提供商与 OEM设备商 和半导体制造商在开发新产品时密切合作的关键所在。世伟洛克十多年前推出首批 ALD 阀门时，合作就极为重要，而当前则比以往任何时候都更为重要。有时，这意味着需要与OEM设备商 合作，但由于其设备需求是由芯片制造商所驱动的，因此有时您还需要直接与代工厂合作。这关乎共同解决问题并根据相关公司的开发周期找出合理的方式。但正是这种合作才能实现未来的技术。
SRP： 在您的职业生涯中，您通常如何与供应商合作？您亲身参与过哪些合作项目？
卡尔怀特： 在我职业生涯的早期，我在 ASM 工作时与世伟洛克合作开发了世伟洛克® DH 系列 UHP超高纯隔膜阀。我们需要一款能够在 220度高温的真空环境下工作并且比当时市售阀门更为小巧的阀门，以便我们可以在狭小的空间中安装更多阀门，从而提高 ALD 设备的性能。为测试各种选配件，我曾与世伟洛克西南公司和世伟洛克公司工程部门合作，最终我们共同找到了理想的解决方案。最后确定使用隔膜阀，该阀采用双活塞设计，使用了有助于避免真空反应室中污染的新型润滑剂，并具有可承受超过 1000 万次循环的极高耐温性。
世伟洛克团队保持透明性并愿意在整个流程中共享测试协议和数据也很有帮助，而与其他制造商合作则并非始终如此。此外，与协同努力同样重要的是，人起着决定性的作用。您希望与能够使您轻松享受工作的人们一起工作，而与我合作完成此项目的团队是无可挑剔的。在我的半导体行业职业生涯中，在与客户打交道时，我始终寻求希望双赢而非“单赢”的业务联系。这两类公司一直存在，因此我总是慎重选择。
SRP： 半导体行业的下一步举措是什么？该行业需要克服哪些挑战？在不久的将来我们可以期待哪些新成果？
凯尔怀特： 该行业面临的挑战之一是如何满足日益增长的需求。目前我们处于 7 nm 或 5 nm 的工艺节点，我们将何去何从？是否存在进一步保持微型化技术的材料和制造能力？3D NAND 堆叠是一种解决方案，我们看到越来越多的半导体彼此叠放，因此与传统方法相比，可以将三倍数量的晶体管封装到一个区域中。正在开发新技术来推进这一方案，例如选择性沉积支持技术，该技术允许您仅在晶圆上所希望沉积的位置沉积，而不是涂覆整个表面。
材料也在不断改变。业界正在将碳化硅视为晶圆而非硅的基础。硅易于获得且价格便宜，因此被广泛采用，但由于需要不同的材料来为极小尺寸的晶体管供电，人们开始重新使用锗等材料。随着时间的推移，加大了对其他快速、理想材料的研究力度，但由于制造工艺或芯片要求的限制，这些昂贵的特种材料可能在经济上不具可行性。目前，我们可能需要这些材料。
需要改变的不仅是晶圆的材料，还包括我们的工艺：沉积的内容、蚀刻的方式等等。目前正在采用诸如极紫外光刻 (EUV) 之类的新方法，但一旦我们开始转向小于 5–3 nm 的晶体管，则这种方法就可能不再奏效。尺寸越小，成本就越会成倍增长，因此我们可能会看到更多情况下是专业服务提供商而非所有人都试图遵守摩尔定律，因为这样做的成本过于高昂。
SRP： 感谢您的见解，卡尔。您对担任您之前曾担任过的职务的半导体专业人士有何最后忠告？
卡尔怀特：确定无疑的一点是，即使我们不能总是看到进展如何，我们也将不断取得进步。可以肯定的一点是，只有建立良好的关系和协作才能实现您的目标。
当您有特殊需求时，可能并非始终像购买现成的产品那样简单；您有时必须与合作伙伴共同开发下一代解决方案。寻求合作时，请寻找具有工程能力和协作心态的公司，以帮助您实现目标。理想的协作者应耐心听取您的需求，从不承诺他们无法做到的任何事情，并且不会为了让您满意而牺牲质量。快速推进时，与很多公司合作都会带来风险，因此请了解可以信赖的公司。建立良好的关系是取得预期成果的最可行方法之一。
“……请寻求具有工程能力和协作心态的公司，以帮助您实现目标。您需要愿意听取您的具体需求的协作者……”
SRP： 谢谢您，卡尔！感谢您今天抽出宝贵的时间与我们分享您的知识。
卡尔怀特： 这是我的荣幸。我很乐意提供帮助。
