Pengetahuan semikonduktor
Teknologi modern terus melakukan inovasi. Di balik platform jaringan dan komputasi awan, ribuan server komputer saling terkoneksi. Selain login ke halaman web dan aplikasi yang beragam, smartphone juga akan mendukung augmented reality (AR), Pencitraan 3D, pembayaran, dan fungsi lainnya; selain komponen sensor, rumah pintar, perangkat yang dapat dikenakan, mobil otomatis ...
Dari e-commerce, keuangan hingga medis dan hukum, semua industri menghadapi perubahan drastis skala besar. Gelombang teknologi menyediakan masyarakat yang lebih nyaman dan membawa kemungkinan tak terbatas bagi kehidupan manusia; landasan semua perkembangan adalah "semikonduktor".
Dalam ekonomi global, keuntungan ekonomi tahunan dari industri terkait semikonduktor adalah sekitar 7 triliun dolar AS; pada tahun 2012, total nilai keluaran semikonduktor Taiwan melebihi 2 triliun dolar Taiwan, peringkat kedua di dunia dan menjadi grup industri terbesar dengan lapangan kerja. Hingga 180.000.
Saya sering mendengar istilah semikonduktor, wafer, IC, dan proses nano di koran dan majalah, tapi tidak tahu artinya? Sebagai orang modern, bahkan sebagai orang Taiwan pun pasti tahu semikonduktor. (Menurut: 100.000 orang muda dan 100.000 hati, GG bekerja secara bergiliran untuk menyelamatkan Taiwan)
Rangkaian peta industri IC ini akan mengambil pengetahuan terkait semikonduktor sebagai bagian pertama dari rangkaian, memperkenalkan istilah yang terkait dengan "pengecoran" dan keadaan industri saat ini di berbagai negara. Dan mendiskusikan persaingan dan kerjasama antar pabrik besar.
Rangkaian peta industri IC ini akan mengambil pengetahuan terkait semikonduktor sebagai bagian pertama dari rangkaian, memperkenalkan istilah yang terkait dengan "pengecoran" dan keadaan industri saat ini di berbagai negara. Dan mendiskusikan persaingan dan kerjasama antar pabrik besar.
Apa itu semikonduktor?
Semikonduktor adalah zat dengan konduktivitas antara konduktor (logam) dan isolator (keramik, batu), termasuk silikon dan germanium.
Tujuan penggunaan semikonduktor untuk membuat komponen elektronik adalah: tidak seperti konduktor yang benar-benar konduktif, dan isolator sama sekali tidak konduktif; dengan menyuntikkan kotoran, konduktivitas semikonduktor dapat diatur dengan tepat. Karena silikon memiliki celah energi yang besar dan kisaran doping pengotor yang besar, silikon dapat digunakan untuk membuat transistor komponen elektronik semikonduktor penting (Transistor).
Berkat penemuan transistor, era ini telah menjadi era kemajuan tercepat dalam sains dan teknologi manusia, dan teknologi elektronik dan industri komputer baru mulai berkembang pesat, yang dapat disebut sebagai salah satu penemuan terbesar abad ke-20.
Tiga fisikawan, Shockley, Bardeen dan Brattain, yang menemukan transistor, bersama-sama memenangkan Hadiah Nobel pada tahun 1956.
Pada tahun 1956, Shockley mendirikan Shockley Semiconductor Lab di selatan San Francisco, yang mendorong perkembangan pesat Silicon Valley di Amerika Serikat. Nama Silicon Valley diambil dari bahan semikonduktor silikon.
Ketika sampai pada penyebab dan sejarah perkembangan Silicon Valley, sangat penting untuk menyebutkan pengaruh Laboratorium Semikonduktor Shockley. Kewirausahaan yang jenius akan menarik banyak orang jenius, jadi sekelompok talenta luar biasa bergegas ke laboratorium Shockley; tetapi kemudian karena karakter Shockley yang mudah tersinggung dan mencurigakan, mereka mengundurkan diri dan pergi, dan menjadi marah. Disebut "The Traitorous Eight" (The Traitorous Eight).
Di antara delapan pengkhianat, termasuk Noyce (Noyce), Moore (Moore, the Moore of Moore's Law!) Dan lainnya, mereka kemudian mendirikan Fairchild Semiconductor (Fairchild Semiconductor), yang menjadi perusahaan pertama yang mengkomersialkan transistor silikon. Perusahaan.
Yang terpenting bagi perusahaan ini bukanlah produknya, melainkan pengaruhnya. Fast bisa dikatakan tempat lahirnya talenta-talenta di Silicon Valley. Perusahaan yang didirikan dan diinvestasikan oleh para pendiri dan karyawannya memiliki lebih dari 130 perusahaan yang terdaftar di Bay Area, termasuk Intel , AMD dan perusahaan lain, dengan nilai pasar US $ 21 triliun. Ini memiliki pengaruh dan efek yang sangat diperlukan pada perkembangan sains dan teknologi di Silicon Valley dan bahkan saat ini.
Oke, mari kita tidak membahas apa pun nanti, mari kembali dan lihat apa sumber dari semua perkembangan di Silicon Valley transistor.
Ada dua fungsi utama transistor: "memperkuat sinyal" dan "saklar".
Transistor seperti "radio" untuk sinyal digital. Prinsip radio adalah memperkuat sinyal yang lemah dan menggunakan klakson untuk membunyikannya. Transistor dapat memperkuat arus sinyal. Sinyal digital terdiri dari 0 dan 1, di mana 1 mewakili Arus "on" dan 0 mewakili arus "off" Transistor beroperasi pada lebih dari 100 miliar kali peralihan per detik, memungkinkan arus lewat dengan cara tertentu.
Di sini mari kita bicara secara singkat tentang prinsip operasi transistor.
Transistor terdiri dari silikon, dan silikon adalah 4 elektron. Unsur fosfor ditambahkan ke semikonduktor silikon, yang memiliki 5 elektron, satu lebih banyak elektron (-) daripada silikon, dan menjadi transistor tipe-N (Negatif).
Selain itu, elemen boron ditambahkan, yang memiliki 3 elektron dan satu elektron (-) kurang dari silikon menjadi transistor tipe-P (Positif). Kedua ujung transistor dapat diberi energi, yang disebut "source" dan "drain".
Karena tipe-P dan tipe-N memiliki lebih banyak dan lebih sedikit elektron masing-masing, elektron tidak akan mengalir ketika tipe-N dan tipe-P dihubungkan, dan sakelar arus "off".
Untuk mencapai efek sakelar, kami menggunakan elektroda ketiga "Gerbang" (Gerbang) untuk menggantikan sakelar tombol mekanis, gerbang diisolasi oleh lapisan oksida dan semikonduktor. Jika kita menerapkan tegangan positif di atas gerbang untuk memungkinkan elektron ekstra dari tipe-N bersirkulasi ulang dan mengalir dari sumber ke saluran pembuangan, sakelar arus "on".
Di atas adalah prinsip bagaimana transistor perangkat semikonduktor mengontrol konduktivitas dengan menambahkan kotoran (fosfor, boron), dan kemudian mengontrol sakelar arus.
Tapi di manakah ratusan juta transistor ini? Anda mungkin berpikir: "Apakah ponsel saya cukup besar untuk menampung ratusan juta transistor?"
Jawabannya adalah: Transistor adalah level nanometer, lebih kecil dari sel manusia. Pertarungan 14 nanometer vs. 16 nanometer Samsung dan TSMC dalam proses manufaktur semikonduktor lanjutan. 14 nanometer mengacu pada lebar saluran arus transistor. Semakin sempit lebarnya, semakin rendah konsumsi daya; namun, ukuran atom sekitar 0,1 nanometer, dan saluran 14-nanometer hanya dapat memungkinkan lebih dari seratus atom untuk melewatinya. Oleh karena itu, selama ada cacat atom atau jejak ketidakmurnian dalam proses produksi, maka akan mempengaruhi rendemen produk.
Untuk produsen semikonduktor, proses manufaktur adalah teknologi, tetapi hasil adalah kunci Pengetahuan. Secara umum sangat sulit untuk mempertahankan tingkat hasil di sekitar 80% Tingkat hasil TSMC dan UMC bisa mencapai 95% atau lebih, yang menunjukkan tingkat teknis pengecoran Taiwan.
Faktanya, ratusan juta transistor ini semuanya dimasukkan ke dalam sebuah chip yang panjangnya sekitar setengah sentimeter dan lebar dan seukuran kuku jari tangan. Chip ini mengandung komponen elektronik seperti transistor dan disebut Integrated Circuit (IC) yang biasa dikenal dengan IC.
Integrasi skala besar (LSI, Integrasi Skala Besar) tidak berarti bahwa papan sirkuit sangat besar, tetapi sekitar 10.000 transistor di atasnya; integrasi skala sangat besar (VLSI, Integrasi Skala Sangat Besar) memiliki sekitar 100.000 Transistor.
Bagaimana sirkuit terintegrasi dibuat?
Sebelum munculnya sirkuit terintegrasi, industri harus memproduksi komponen elektronik seperti transistor, dioda, resistor, kapasitor, dll., Dan kemudian menghubungkan semua komponen untuk membuat sirkuit, yang rumit dan memakan waktu. Oleh karena itu, jika seluruh papan sirkuit dapat dibuat langsung sesuai gambar desain, maka akan lebih akurat, lebih cepat dan lebih murah.
Jack St. Clair Kilby dari Texas Instruments adalah penemu pertama yang berpikir untuk meletakkan komponen pada chip untuk dikoleksi. Pada tahun 1958, ia berhasil menguji dan membuka era baru teknologi komputer. Banyak ahli percaya bahwa revolusi digital yang dibawa oleh sirkuit terintegrasi adalah peristiwa terpenting dalam sejarah manusia. Kilby juga memenangkan Hadiah Nobel Fisika pada tahun 2000.
Proses pembuatan sirkuit terintegrasi dibagi menjadi beberapa langkah berikut.
1. Desain arsitektural: Desain IC (CIRCUIT DESIGN)
Sama seperti sebelum membangun rumah, arsitek harus menggambar gambar desain, merencanakan distribusi ruangan dan menggunakan bahan; saat membuat chip semikonduktor, insinyur akan menggambar diagram rangkaian untuk merencanakan fungsi (termasuk aritmatika) yang harus dimiliki sebuah chip. Logika, fungsi memori, kalkulasi floating point, transmisi data), area di mana setiap fungsi didistribusikan pada chip, dan komponen elektronik yang diperlukan untuk produksi.
Selanjutnya, insinyur akan menggunakan bahasa deskripsi perangkat keras (HDL) untuk menggambarkan diagram rangkaian.
Setelah memastikan kebenarannya, masukkan kode HDL ke dalam alat otomatisasi desain elektronik (alat EDA), dan biarkan komputer mengubah kode tersebut menjadi diagram rangkaian.
2. Fondasi Bangunan: Pembuatan Wafer (WAFER FOUNDRY)
Setelah desainer selesai mendesain rumah, ia perlu menyerahkan gambar desain sirkuit kepada pekerja konstruksi untuk membangun rumah tersebut. Membangun rumah membutuhkan pondasi, sama halnya dengan membuat chip. Substrat tempat semua komponen elektronik ditempatkan adalah "wafer".
Pertama, pabrik pembuatan wafer akan memurnikan dan melarutkan silikon menjadi bentuk cair, dan kemudian mencabut pilar kristal silikon kolumnar, yang di atasnya terdapat kisi kisi silikon, dan kemudian kristal yang dapat diberi daya dipasang.
Selain itu, karena susunan kisi silikon adalah kunci pemasangan komponen elektronik, maka langkah "menarik kristal" sangat penting-proses pembuatan kolom kristal seperti membuat marshmallow, membentuk sambil berputar, serta kecepatan dan suhu penariknya Kontrol akan mempengaruhi kualitas kolom kristal.
Selanjutnya, fab akan menggunakan pisau berlian untuk memotong seluruh kolom kristal menjadi irisan seperti ham, Setelah dipoles, menjadi "wafer", yaitu wafer. Substrat; kisi kristal pada wafer dapat dimasukkan ke dalam kristal.
Kisi kristal pada wafer (wafer) dapat ditempatkan di power crystal.
Fabs wafer 8 inci dan 12 inci yang umum didengar mewakili diameter wafer setelah kolom kristal silikon diiris, dan seluruh wafer dapat diiris menjadi potongan-potongan dadu (Die); Setelah pengemasan, disebut Chip, atau IC.
Besar kecilnya wafer dapat menentukan jumlah wafer yang dihasilkan oleh pemotongan selanjutnya.
Catatan: Komputer (Kalkulator Die Per Wafer) yang disediakan di situs AnySillicon dapat digunakan untuk menghitung berapa banyak cetakan yang dapat dipotong pada wafer.
Misalnya, wafer berdiameter 8 inci yang menggunakan proses 2.0 mikron dapat memotong 588 DRAM 64M (memori); sedangkan untuk wafer 12 inci, lebih banyak produk jadi dapat dipotong.
Namun, seperti disebutkan sebelumnya, kemurnian silikon, kecepatan tarik kristal, dan pengatur suhu adalah kunci kualitas kolom kristal. Semakin tebal kolom kristal silikon, semakin sulit mengeluarkan kualitas yang baik. Oleh karena itu, semakin besar ukurannya, semakin tinggi kesulitan teknisnya. Pabul bulat juga lebih maju dari pabrikan wafer 8 inci.
Selain itu, kotoran merupakan ancaman besar bagi kisi silikon sempurna ini (pikirkan: transistor lebih kecil dari sel manusia, dan sejumlah kecil kotoran dapat cukup untuk menghancurkan seluruh kisi silikon), sehingga personel pabrik memasuki ruang bersih Sebelumnya, Anda harus mencuci tubuh, mengenakan pakaian tahan debu, dan melakukan pencegahan secara menyeluruh. Lingkungan pembuatan wafer 100.000 kali lebih bersih daripada ruang operasi.
Wafer akan dikirim ke ruang bersih dalam keadaan bebas debu dan dikemas ke dalam wadah tertutup untuk langkah produksi selanjutnya.
3. Formasi Bangunan: Pembuatan Topeng (Pengambilan Foto dan Fotolitografi)
Seperti yang kami sebutkan sebelumnya, makna trans-age dari sirkuit terintegrasi (IC) adalah bahwa industri tidak perlu memproduksi komponen elektronik secara terpisah dan kemudian membangunnya, dan dapat menghasilkan papan sirkuit berdasarkan diagram sirkuit sekaligus. Bagaimana ini dilakukan?
Jawabannya adalah: teknologi fotografi optik. Gambar desain sirkuit besar perlu dikurangi dan dicetak pada wafer silikon (substrat) dengan prinsip optik.
Pertama, pabrik topeng akan mengecilkan pola desain IC untuk pertama kalinya, dan mengukirnya pada wafer kuarsa dengan berkas elektron untuk menjadi topeng.
Photomask
Karena lebar berkas elektron adalah 1 mikron, rangkaian semikonduktor yang diukir pada topeng menurut gambar desain juga lebarnya 1 mikron. Selanjutnya, pabrik photomask akan mengirimkan photomask yang telah selesai tersebut ke pabrik.
Pembuatan chip, yaitu gambar desain yang terukir pada topeng direduksi menjadi wafer untuk kedua kalinya. Mirip dengan prinsip mengembangkan foto dari negatif, "topeng" adalah film fotografi, dan "wafer" adalah kertas foto.
Wafer akan dilapisi terlebih dahulu dengan lapisan photoresist (bahan fotosensitif), melalui penyinaran sinar ultraviolet dan efek pemfokusan lensa cembung, struktur rangkaian pada photomask akan berkurang dan dicetak pada wafer, dan akhirnya dicetak pada wafer Rangkaian semikonduktor pada topeng akan berubah dari 1 mikron menjadi 0,1 mikron. Bagian di luar bayangan akan dihancurkan oleh sinar ultraviolet, dan kemudian dapat dihilangkan dengan cairan pembilas.
Melalui pencitraan fotolitografi dan fotolitografi, pabrikasi berhasil mentransfer gambar desain ke substrat wafer kecil. Sama seperti kualitas film negatif mempengaruhi kualitas pencitraan foto, kehalusan pola pada topeng adalah kunci kualitas chip.
Setelah proses fotolitografi selesai, teknisi akan terus menambahkan ion pada wafer. Dengan menanamkan kotoran ke dalam struktur silikon untuk mengontrol konduktivitas, dan serangkaian proses fisik, transistor diproduksi. Prosesnya cukup rumit bahkan membutuhkan ruangan bersih seluas dua lapangan sepak bola.
Setelah komponen elektronik seperti transistor dan dioda pada wafer dibuat, teknisi akan menuangkan tembaga ke dalam parit untuk membentuk kabel halus untuk menghubungkan banyak transistor. Di ruang kuku, ratusan juta transistor dihubungkan dengan beberapa kilometer kabel untuk membuat sirkuit terpadu yang besar. Pada titik ini, bangunan besar itu selesai.
4. Kemasan produk jadi: pengemasan dan uji
Setelah wafer selesai dibuat, wafer tersebut dikirim ke pabrik pengemasan dan dipotong menjadi potongan-potongan "bare die", seperti yang ditunjukkan pada gambar sebelumnya. Karena cetakannya kecil dan tipis, sangat mudah tergores, sehingga pabrik pengemasan akan memasang cetakan pada rangka timah, mengemas cangkang plastik atau keramik yang diisolasi di bagian luar, dan memotongnya dan mencetak logo perusahaan komisioning. Terakhir, lakukan pengujian untuk memastikan struktur dan fungsi chip, pilih produk yang rusak, dan chip selesai!
Apa produsen semikonduktor utama?
Penemuan sirkuit terintegrasi pada 1960-an memungkinkan banyak komponen semikonduktor ditempatkan pada satu wafer pada satu waktu. Ketika semikonduktor menyusut, jumlah transistor yang dapat ditampung pada sebuah IC akan berlipat ganda setiap dua tahun, dan kinerjanya akan berlipat ganda setiap 18 bulan.
Dari kurang dari 10 pada 1960-an, meningkat menjadi 100.000 pada 1980-an, dan menjadi 10 juta pada 1990-an. Fenomena ini diusulkan oleh ketua kehormatan Intel, Moore dan disebut Hukum Moore. Saat ini, ada ratusan juta hingga milyaran komponen pada sirkuit terintegrasi.
Pada masa-masa awal, sebagian besar perusahaan semikonduktor adalah produsen perangkat terintegrasi (Produsen Perangkat Terpadu, umumnya dikenal sebagai IDM) yang menangani desain, manufaktur, pengemasan, pengujian, dan penjualan IC, seperti Intel, Texas Instruments, dan Motorola. , Samsung (Samsung), Philip (Philips), Toshiba (Toshiba), dan Winbond dan Macronix domestik.
Namun, karena Hukum Moore, desain dan produksi wafer semikonduktor menjadi semakin rumit dan mahal. Sebuah perusahaan semikonduktor tunggal seringkali tidak mampu membayar biaya R&D dan produksi yang tinggi dari hulu ke hilir. Oleh karena itu, saat itu akhir 1980-an. , Industri semikonduktor secara bertahap bergerak menuju divisi tenaga kerja profesional - beberapa perusahaan berspesialisasi dalam desain dan kemudian menyerahkannya ke perusahaan lain untuk pengecoran dan pengujian pengemasan.
Salah satu tonggak penting adalah berdirinya Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) pada tahun 1987.
Karena sebuah perusahaan hanya mengerjakan desain dan proses pembuatannya diserahkan ke perusahaan lain, maka mudah untuk mengkhawatirkan kebocoran rahasia (misalnya, jika dua vendor desain IC yang bersaing, Qualcomm dan MediaTek, mengundang pengecoran TSMC pada saat yang sama, itu berarti TSMC mengetahui dua Home secret), jadi TSMC tidak disukai pasar pada awalnya.
Namun, TSMC sendiri tidak menjual chip dan murni pengecoran. TSMC dapat mengatur jalur produksi khusus untuk berbagai vendor chip dan menjaga privasi pelanggan dengan ketat. Hal ini telah berhasil membuktikan bahwa mengkhususkan diri pada pengecoran merupakan hal yang menguntungkan.
Saat ini TSMC adalah perusahaan pengecoran nomor satu di dunia. Pabrikan terkenal juga termasuk UMC, GlobalFoundries, dan SMIC, yang menempati peringkat kedua di dunia.
Karena perusahaan desain IC hanya merancang dan menjual chip, tetapi mengalihdayakan manufaktur, pengemasan, dan pengujian kepada pihak ketiga, dan mencurahkan modal dan tenaga kerja untuk penelitian dan pengembangan, mereka disebut Perusahaan Semikonduktor Fabless, termasuk Qualcomm dan Broadcom. (Broadcom), MediaTek (MediaTek), dan SpreadTrum (SpreadTrum) di bawah China Unigroup.
Terakhir, produsen pengemasan semikonduktor terkemuka Taiwan, ASE, menduduki peringkat pertama di dunia, menguasai hampir 20% pasar global. Peringkat kedua adalah perusahaan Amerika Amkor (Amkor), dan ketiga adalah produsen Taiwan Silicon Products (SPIL).
Kecepatan perkembangan industri semikonduktor dalam beberapa dekade terakhir ini tidak hanya mencengangkan saja. Berbagai inovasi besar juga telah mendukung banyak industri lain dan berdampak besar. Bisa dikatakan sebagai ibu dari era digital. Tidak diragukan lagi bahwa di masa depan, aplikasi semikonduktor dan skala industri akan menjadi lebih luas dan penting daripada saat ini.
Terakhir, untuk semua orang, saya akan dengan mudah merangkum pengetahuan yang telah kami sebutkan di artikel ini, dan juga melihat pengetahuan lain apa yang tidak disebutkan dalam artikel ini, tetapi juga sangat penting. Pratinjau akan muncul di artikel berikutnya:
"IC" dalam bahasa Cina disebut "sirkuit terintegrasi". Dalam elektronik, ini adalah cara sirkuit miniatur (termasuk perangkat dan komponen semikonduktor) dan membuatnya di permukaan wafer semikonduktor. Jadi semikonduktor hanyalah bahan mentah untuk membuat "IC".
Karena rangkaiannya berkurang, Anda juga bisa menyebutnya "sirkuit mikro", "chip mikro", atau "chip".
Dengan kata lain, rantai industri semikonduktor yang sering disebut oleh media Taiwan harus disebut "desain IC", "manufaktur IC", dan "pengemasan IC" agar benar!
Karena semikonduktor tidak ditemui dalam proses desain dan pengemasan IC, semikonduktor hanyalah bahan mentah, dan fokusnya ada pada IC itu! Produsen desain IC termasuk MTK dan Qualcomm, dan perusahaan pengemasan termasuk produk ASE dan silikon.
Dan "produsen semikonduktor" yang kami perkenalkan dari awal hingga akhir hanyalah hal-hal yang dilakukan oleh pengecoran seperti TSMC (TSMC), termasuk cara mengecilkan sirkuit dan proses pengecoran.
Nah, proses pengecoran dirangkum di sini.
Mulai dari artikel berikutnya, kami akan kembali ke rantai industri untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan ini, dan melihat tujuan chip IC dan bagaimana desainnya.
- Beginilah gameplay baru T + 0 yang menyamar ada di sini! Model penyelesaian transaksi ETF Shenzhen direncanakan untuk disesuaikan, dan industri menyambut tiga keuntungan utama
- Karena perubahan ini, beberapa perusahaan mengandalkan kinerja "perdagangan saham" untuk melambung 30 kali lipat! Saham A naik tajam di kuartal pertama, dan emiten bohong. Seberapa besar dampak dar
- Jangan pergi ke tempat wisata untuk melihat orang! Kelima jalan raya ini memberi tahu Anda bahwa pemandangan terindah benar-benar ada di jalan