如何建一个200亿美元的晶圆厂？_风闻

在过去的几十年里，技术进步的一个途径几乎都是基于半导体实现的。半导体是其电导率可以变化多个数量级的材料，这使得可以选择性地阻止和允许电子流动。这种特性使得制造各种电子设备成为可能，尤其是数字计算机。

随着过去几十年半导体技术的进步，电子计算的成本和规模稳步下降，使个人电脑、互联网和移动电话成为可能。如今，能够执行大量矩阵乘法的强大 GPU形式的半导体是推进人工智能技术的基石。越来越多的计算可用于进行大量搜索和学习，推动了游戏人工智能、计算机视觉和大型语言模型 (LLM)等领域的进步。

随着摩尔定律的发展，晶体管（一种电子开关，集成电路的基本构建模块）变得越来越小、越来越便宜。1954 年，第一台晶体管收音机TR-1有 4 个晶体管，每个晶体管售价 2.50 美元（按 2024 年美元汇率计算为 29.03 美元）。如今，拥有 99 亿个晶体管的AMD Ryzen 处理器售价为 650 美元，即每个晶体管约 0.000000066 美元。

换句话说，自 20 世纪 50 年代以来，晶体管的成本已下降了约 3 亿倍。

每个半导体元件都发生了同样的缩小和廉价化。但与此同时，制造它们的设施变得越来越昂贵。在 60 年代末和 70 年代初，半导体制造设施 (或“fab”) 的成本约为 400 万美元（按 2024 年美元汇率计算约为 3100 万美元）。如今，一座现代化晶圆厂的成本可能达到 100亿至 200 亿美元甚至更多。英特尔正在亚利桑那州建造两座工厂，预计每座耗资 150 亿美元，三星位于德克萨斯州泰勒的工厂预计耗资250 亿美元。

这些巨大的成本最终是由于稳步降低半导体成本的同一因素造成的：摩尔定律，即集成电路上的元件数量每两年就会增加一倍。（摩尔第二定律，也称为洛克定律，规定半导体工厂的成本每四年就会翻一番。）半导体元件越小，创造制造条件就越困难。

现代微芯片的宽度约为 50 纳米，约为人类头发宽度的 1/2000。材料被放置在几个原子薄的层中。制造这么小的物体需要超精密的制造设备，以及能够屏蔽尽可能多的干扰源的生产环境；每个流氓灰尘斑点或电压的微小波动。而且这些条件必须在每年生产数亿个微芯片的大规模生产设施中维持，而不是在实验实验室的稀薄条件下维持。超精密和大批量生产的结合造就了世界上一些最复杂、最昂贵的工厂。

半导体制造工艺

要了解为什么现代晶圆厂如此昂贵，我们首先需要了解制造半导体的工艺。

如果我们将计算机芯片从中间切开，并非常非常仔细地观察，我们会发现它是由一系列层组成的。这是采用英特尔当前制造工艺制造的芯片的横截面：

这是通用集成电路的横截面图，显示了不同的层：

在芯片底部，上图中标记为 FEOL（front end of line）的区域是半导体元件本身：晶体管、电容器、电阻器、二极管以及用硅制成的用于制造微芯片的所有其他部件。这些单独的组件将使用微观金属线连接在一起，区域中的层标记为BEOL（back end of line）。由于现代电子芯片中的元件数量巨大，因此布线必须在单独的层上布线，这些层由称为电介质的电绝缘体分隔开。例如，英特尔当前的工艺由15 层金属布线组成。该布线通过层中称为“通孔”的孔连接在一起并连接到半导体组件。

芯片是通过一次一层地构建这种复杂结构来制造的。从极纯硅晶片开始，添加材料层，去除部分层，添加更多材料（或修改现有材料），依此类推，直到整个结构完成。这种制造方法称为平面工艺，由 Jean Hoerni 于 1959 年在 Fairchild Semiconductor 发明，它使集成电路和现代计算机技术成为可能。

构建微芯片结构的过程可以分为四个重复应用的基本操作：增层（layering）、图案化（patterning）、掺杂（doping）和退火（heat-treating）。

1.增层

增层用于在晶圆表面添加一层极薄的材料（小至纳米或更小，仅为人类头发厚度的 1/100,000）。这些层可能是绝缘体（例如用于分隔组件的二氧化硅层）、导体（例如用于连接组件的铜布线层）或半导体（例如构成半导体组件一部分的外延硅薄膜）。

根据工艺步骤和所使用的材料，可能会应用不同的分层技术。

随着特征的缩小，沉积方法也随着时间的推移而发展。目前常见的增层方法包括热氧化（将晶圆暴露在熔炉中的氧气中，从而在晶圆表面形成一层薄薄的二氧化硅）、化学气相沉积 (CVD)（将气态化学物质聚集在一起，将其反应物沉积在表面上）晶圆）和溅射（用等离子体离子轰击固体材料，导致原子脱离并沉积在晶圆表面）。现代半导体元件的小尺寸要求这些分层方法具有极高的精度。例如，现代原子层沉积方法能够一次创建单层原子。

2.图案化

图案化是在晶圆上刻出特定图案的过程，根据需要选择性地去除材料以制造电子元件。在现代半导体上，这是通过光刻来完成的。

首先在晶圆上涂上一层薄薄的光敏材料，称为光刻胶。特定波长的亮光穿过称为掩模的玻璃或石英板，掩模上刻有要在晶圆上创建的图案。掩模包含单个芯片所需的图案，但晶圆将包含数百个单独的芯片。为了曝光每一个，使用步进机或扫描仪将掩模在晶圆表面上来回移动。未被掩模阻挡的光线穿过并在光刻胶中引发化学反应；

使用正性光刻胶，暴露在光线下的区域会变弱并变得可溶；对于负性光刻胶，曝光区域会硬化，而光刻胶的其余部分仍然可溶。无论哪种情况，晶圆在曝光后都会被清洗，在需要涂覆的图案中留下一层硬化的光刻胶。

从这里开始，晶圆将被蚀刻：腐蚀性化学物质将被施加到晶圆上，腐蚀掉被去除的光刻胶暴露的材料，并将图案刻在晶圆本身上。蚀刻可以是“湿式”（通过将晶圆暴露于氢氟酸等液体化学品中）或“干式”（通过将晶圆暴露于已被激发成等离子体的氟等气体中）。

蚀刻后，去除剩余的光刻胶。

3.掺杂

掺杂是将极少量的杂质引入半导体材料以改变其电导率的过程。通过在硅中掺杂少量的V 族元素（例如磷或砷），可以产生具有过量自由电子的 n 型半导体。通过掺杂少量的III 族元素（例如硼），可以产生具有过量电子空穴的 p 型半导体。通过适当排列 p 型和 n 型硅，可以制造晶体管等组件。

MOSFET 中的 p 型和 n 型半导体

早期，在半导体制造中掺入杂质的主要方法是扩散：通过在气体存在下加热晶圆，气体原子会扩散到晶圆表面。但如今，掺杂主要通过离子注入来完成：一束离子（具有过量或缺乏电子的原子，赋予它们电荷）被发射到晶圆上，将原子沉积在表面下方。

离子注入装置

4.退火

半导体制造中的最后一个主要操作是退火。该过程中有许多步骤，其中加热或冷却晶圆以获得特定结果。例如，离子注入会导致硅晶体结构受损。这种损坏可以通过快速热退火来修复；热灯在几秒钟内将晶圆加热到 1,000 度以上，然后晶圆缓慢冷却，修复晶体结构。在光刻过程中还使用加热来“烘烤”并硬化液体光刻胶。

除了这四种基本工艺之外，半导体制造还涉及许多其他支撑工艺。一个关键的支持过程是抛光：因为微芯片是由数十个单独的层构成的，随着更多层的添加，层厚度的变化将随着时间的推移而传播，如果不加以解决，就会导致问题。

为了解决这个问题，在制造过程中经常使用化学机械抛光（CMP）对晶圆进行抛光，以使晶圆表面光滑。CMP 还用于填充蚀刻产生的孔，方法是在整个晶圆上涂上一层材料，然后抛光掉孔上方的材料。

使用和不使用 CMP 的晶圆表面

CMP 用于用二氧化硅填充沟槽的过程中

另一个关键的支持过程是清洗。

由于最微小的杂散颗粒都会导致微芯片发生故障，因此必须不断用溶剂和极纯水清洁晶圆。在现代晶圆厂中，晶圆在生产过程中可能会被清洗200 次或更多次。为了确保工艺正常运行，晶圆厂广泛使用计量技术——在工艺的各个点测量晶圆，以确定是否存在任何制造错误或缺陷。

半导体工厂的工艺流程图

通过一遍又一遍地应用这四个基本过程，以及各种支撑过程，微芯片的结构慢慢地建立起来。随着越来越多的晶体管被塞进集成电路中，这种结构（以及创建它的过程）变得越来越复杂。早期的集成电路只需五到十个不同的掩模和数十个工艺步骤即可制成，但现代的尖端微芯片可能需要 80 个或更多掩模和数千个单独的工艺步骤。

大约 20 世纪 80 年代的简单九掩膜 CMOS 芯片的工艺流程。如今，尖端芯片需要 80 个左右的掩模，并且工艺流程更加复杂。

一旦晶圆完成所有这些步骤并且电路结构完成，就可以进行组装和封装。在这里，晶圆被切割成单独的芯片，每个芯片都连接到电线（以及任何其他芯片，就像先进的封装一样），并封装在保护涂层中。封装可以在半导体工厂完成，也可以完全在另一个工厂完成。

半导体制造的难度和费用

就其本身而言，大量的工艺步骤并不需要价值 200 亿美元的制造设施。毕竟，许多复杂的制成品需要同样多或更多的步骤来生产。例如，一块20 世纪早期的手表由 150 个零件组成，需要 3700 多道工序才能生产。

但当这些工艺步骤被用来制造尺寸为十亿分之一米的组件时，制造的复杂性就会大大增加。对于大多数制造过程，即使是那些使用精密方法生产可互换零件的制造过程，也存在相当程度的公差。如果零件太长或太短一毫米，它仍然适合。如果金属的杂质含量稍微高一点，该金属仍然可以使用。如果进程运行得稍微太快或太慢，输出仍然可用。

在半导体制造中，允许的公差几乎被削减到零。制造几纳米尺寸的晶体管需要比传统制造精确数十万倍的工艺。最微小的流氓粒子（rogue particle）就能使连接短路并毁坏整个芯片。一些原子位于错误的位置可能会导致工艺步骤失败。难以察觉的少量杂质可能会对材料造成不可挽回的损坏。

半导体制造的历史就是一部针对这些微小影响及其灾难性影响的无休止战争的编年史。即使要让半导体器件正常工作，也需要极其密切地关注化学浓度和不良杂质。20 世纪 40 年代，贝尔实验室研究半导体时，神秘的组件故障最终被追溯到研究人员触摸了铜门把手；从门迁移到工人手中的极少量铜原子就足以毁掉他们的工作材料。早期的半导体制造商发现，他们的工艺受到月相、工人最近是否上过厕所，甚至女员工的月经周期等因素的影响。

随着半导体特征变得越来越小，问题只会变得更加困难。随着晶体管的缩小，英特尔发现，即使是最无害的设备变化（例如使用稍长的管道或电缆）也可能导致新工厂的工艺中断，并导致数月或数年的良率下降。为了解决这个问题，英特尔制定了一个名为“ Copy EXACTLY”的流程。新工厂将尽可能与现有工厂相同，甚至包括墙壁油漆的颜色和品牌。

因此，现代半导体工厂必须创造一个具有令人难以置信的精度和可预测性的世界。每一个可能扰乱制造过程的影响，无论多么小，都必须被筛选出来，任何细微的偏差都必须被追查和消除。这种控制必须在大规模生产环境中维持，每年生产数十万个晶圆和数百万个单独的芯片（每个芯片都有数十亿个晶体管）。

晶圆厂的结构

为了创建这种环境，现代半导体工厂通常由四层组成。

晶圆厂的核心是洁净室层；实际进行制造过程的工厂车间洁净室下方是次级晶圆厂，一层或多层（通常为两层），其中包含支持洁净室操作所需的管道、管道、布线和设备。洁净室层上方是一个间隙空间，配有风扇和过滤器，用于将空气再循环到下面的洁净室。

洁净室层包含工艺工具：执行上述各种操作的各个设备。工具范围从光刻机（如ASML的EUV机），到化学气相沉积机，到离子注入机，到用于清洁和蚀刻的“湿工作台”（wet benches）等等。这些机器由ASML 、Lam Research 、Applied Materials和Tokyo Electron等少数专业制造商制造，而且价格极其昂贵。主要加工机器的成本可能为 500万至 1000 万美元，有些可能高达 1 亿美元。ASML 的尖端光刻机耗资近 4 亿美元。

这些工具可能执行一个特定的工艺步骤（例如用于晶圆加热的熔炉）或集成多个单独的工艺步骤。例如，应用材料公司制造机器其中包含多个layering和表面处理步骤。为了生产大量晶圆（现代微处理器或“逻辑”晶圆厂可能每月生产 40000 至 50,000 个晶圆；生产存储器的晶圆厂可能每月生产 120,000 个晶圆），需要大量工具——1,000 个或更多。

工艺工具将按类型聚集在一起；这使得这些工具可以共享化学品和天然气管道等的需求（如果某种化学品的所有需求都集中在一个地方，则运行管道会更容易），并且可以隔离某些污染物。由于铜杂质会对半导体行为产生灾难性影响，因此使用铜的工艺部分（例如沉积微观铜布线的工具）可能与工厂的其他部分隔离。HVAC 系统同样会在不同的过程区域之间进行隔离。为了最大限度地减少柱子或承重墙等物体的干扰，工厂的屋顶通常由大型、长跨度的桁架支撑，从而使洁净室空间尽可能开放。

美光晶圆厂洁净室地板上的工艺工具

正在建设中的英特尔晶圆厂，展示了横跨洁净室地板的大型桁架

洁净室的设计旨在最大限度地减少污染。

半导体工厂通常采用10 级或 100 级洁净室建造，这意味着每立方英尺空气中最多可以有 10 或 100 个 0.5 微米或更大的颗粒。相比之下，普通房屋每立方英尺空气中含有约 500,000 个颗粒，而外科手术室则含有约100,000 个颗粒。）为了实现这一目标，大型空气处理装置迫使空气通过洁净室天花板中的 HEPA 或 ULPA 过滤器。空气通过地板被拉入次级晶圆厂，然后通过天花板一遍又一遍地再循环。

晶圆厂的横截面

为了防止洁净室外部的颗粒进入，洁净室相对于外部保持正压。将空气保持在所需的清洁度水平意味着每小时要更换数百次空气，而典型的办公楼每小时要更换 5-10 次空气。这种气流量，加上半导体洁净室的大小（大型晶圆厂可能为500,000-1000000平方英尺或更多），意味着晶圆厂的 HVAC 系统非常庞大。

除了这些大型暖通空调系统外，洁净室中使用的材料和工艺工具也需要经过专门设计，以防止排放颗粒。为了最大限度地减少洁净室内人员的污染，工作人员在进入之前在特殊的更衣区穿上兔子服，并经过特殊的清洁程序。

随着半导体功能的缩小，洁净室的要求变得更加严格。

在 20 世纪 80 年代，晶圆厂洁净室是按照 1000 级标准建造的，但到了 1990 年代，一些制造商正在建造极其洁净的1 级洁净室（每立方英尺空气中只有一个 0.5 微米的颗粒）。由于达到这种清洁度水平的成本很高，因此制造商采取了将晶圆与洁净室其他部分隔离的策略。

晶圆在称为 FOUP（front opening unified pods：前部开放式统一盒）的密封盒中的工艺工具之间传输，并且工艺工具本身是封闭和密封的。

例如，这家台积电晶圆厂是用 100 级洁净室建造的，但晶圆本身是在 0.1 级“微型环境”内处理的。通过采用微环境策略，晶圆厂能够去除空气中更多的杂质，而无需净化洁净室中数百万立方英尺的空气。

显示带有工具微型环境的 FOUP 的绘图。

FOUP 使用自动材料处理系统在工艺工具之间移动。在大多数现代晶圆厂中，这由安装在天花板上的轨道系统组成（尽管一些晶圆厂，尤其是较旧的晶圆厂，可能会使用基于地板的自动引导车）。

专门设计的车辆在一个处理工具处拾取 FOUP，然后将其送到下一个处理工具处。大量的制造步骤意味着晶圆可能需要数月的时间才能完成整个过程。再加上晶圆厂每月生产的大量晶圆，意味着在任何给定时间，生产过程中的各个点都有数以万计的晶圆，在工具之间来回移动或储存起来等待轮换。

在生产过程中，晶圆将在不同的生产工具之间来回行驶数英里。因此，运输系统必须是广泛的，拥有数英里的轨道和数百或数千辆运输车辆。它们必须经过精心设计，以避免出现瓶颈，让“流量”顺畅流动。

FOUP AMHS

当 FOUP 到达处理工具时，可以将其连接到特殊的装载点，并且可以在机器的受控环境中自动处理晶圆。处理后，晶圆可以装载到另一个 FOUP 中并移至下一个工具。由于工艺工具可能无法立即可用，因此 FOUP 会一直储存起来，直到有空位并可以移动它们为止。储存中的 FOUP 偶尔会用氮气冲洗，以确保污染物不会到达内部的晶圆。

但流氓颗粒（rogue particles）并不是唯一会破坏制造过程的因素，工厂的每个部分，从洁净室到基础，都必须设计成最大限度地减少外部干扰。所需的极高精度意味着工艺工具对振动极其敏感（即使是巨大的噪音也会对制造过程产生负面影响），而晶圆厂的设计旨在最大限度地减少振动。

晶圆厂通常建在远离机场、铁路线、繁忙的高速公路和任何其他重要外部振动源的地方，而且晶圆厂配套设施本身也必须设计成消除振动。（在一个案例中，不可接受的洁净室地板振动是由距晶圆厂大楼 400 英尺的排气口引起的。）晶圆厂内大量可能产生振动的机械和设备（例如电机、泵、HVAC 系统，甚至管道中的流体流动）。工厂必须将振动限制在感知阈值以下几个数量级，同时吸收传统建筑 100 倍的机械能和 50 倍的气流。

不同建筑类型的振动要求。现代半导体工厂中最敏感的区域是按照 VC-D 或 E 要求甚至更高的要求建造的

为了最大限度地减少振动，洁净室的地板通常建造为两到四英尺厚的深混凝土华夫板（deep concrete waffle slab ），由紧密间隔的柱子支撑，以使其尽可能坚硬。楼板上方是凸起的金属地板，允许管道和电缆在其下方布线，并允许将加工工具放置在单独的支撑基座上，以防止工人的脚步引起振动。

一些极其敏感的设备，例如光刻工具，可能需要更严格的措施，例如可以感知并消除任何异常振动的主动减振器。在某些情况下，晶圆厂可能会建造一个结构隔离断层，以保持洁净室地板与建筑物的其他部分以及它可能引起的任何振动物理隔离。

具有主动减振功能的半导体工具基座，与高架洁净室地板分开

半导体工厂结构隔离中断的概念

理想情况下，防止振动还意味着将您的工厂放置在地震不活跃的区域。当不可能时（例如在台湾或日本），可能会采取其他措施，例如添加地震阻尼器或使用特殊的地基将建筑物与周围的土壤隔离。

除了颗粒和振动之外，晶圆厂还需要消除许多其他干扰源。为了防止光线意外曝光光刻胶，光刻区域通常使用不会曝光化学物质的特殊黄光。地板等必须使用防静电材料，以防止静电积聚。工具对电磁干扰很敏感（甚至附近电源线的磁场也可能导致设备中断），因此必须屏蔽工具并尽量减少 EMF 源。晶圆厂拥有备用发电机和不间断电源，以防停电，设备的设计必须能够应对公用电源的电压变化。（在提出这一要求的设计标准之前，公用电压变化导致半导体制造问题显然很常见。）洁净室中的温度和湿度必须保持在一个狭窄的范围内，这给 HVAC 系统带来了进一步的负担。

出于安全目的，晶圆厂还可以设计为射频 (RF) 屏蔽。

在洁净室精心控制的条件之下是次级晶圆厂：支持洁净室操作所需的一层或多层设备。例如，EUV 光刻机是一种卡车大小的复杂设备，但洁净室工具只是所需总设备的一部分。洁净室下方是驱动 EUV 系统的巨大 CO2 激光器，以及在工艺室内产生真空所需的泵。许多其他工艺工具，例如离子注入机和溅射机，也需要真空，大型晶圆厂的子晶圆厂可能有数千个真空泵。

通过Crystal5D Technologies渲染下方子晶圆厂中带有支持设备的工艺工具

次级晶圆厂也是工艺工具所需的许多化学品的存储和输送场所（尽管一些化学品，特别是剧毒化学品，将存储在工艺工具内以最大程度地减少泄漏风险，而其他化学品将存储在工艺工具外）很棒的建筑）。半导体工厂使用多种化学品，包括氮气（用于净化和清洁 FOUPS 和工艺工具）、氧气（用于氧化炉和减排设备）、氩气（用于等离子体反应）、氢气（用于 EUV 机器）清洁）等。使用的化学品和气体的数量以及产生的废气量需要大量的管道，有些管道的直径可达十英尺。而且这些化学物质必须极其纯净，在某些情况下纯度可达 99.9999999%。