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迎接“超摩尔定律”
奔跑的蜗牛 发布于 2019/11/15 浏览 56

超摩尔定律

长久以来,“摩尔定律”一直被尊崇为半导体行业的铁律,其力求不断缩小晶体管尺寸,以及在每个新制造“节点”的芯片上,集成更多、更小、更快的晶体管。

如今,面对数码电子品与模拟技术的碰撞,“超摩尔定律”器件已成为了新功能多样化科技趋势的代表。并且,随着5G、万物互联以及自动驾驶和神经元传感器等新兴应用的兴起,这些应用有望大幅扩展。虽然负责生产这些专业器件的制造商们仍会把主要精力放在尺寸、速度和功率上,但他们不必使用所有的尖端技术,以最先进节点打造出精细的几何形状。


技术挑战

当然,这不是说制造商们要攻克的技术挑战就此变得容易,而是要求可能变得大相径庭,常常会涉及到独特的结构和不同的材料。许多情况下,这些器件可以使用原本更大的旧节点所用的工具和工艺来制造,但需要选择性地融入一些前沿技术和经验。

接下来,我们来看看在真实和数字世界中传输信息的几种芯片和电路,以及它们分别面临怎样的制造挑战。

传感器和转换器

传感器和转换器可以将物理量的变化转换为电信号,反之亦然。它们转换的量(温度、压力、运动等)以及生成的信号通常是模拟的,也就意味着,会在一定范围内连续变化。传感器技术因所要感测的物理量而不同。一辆现代汽车包含数百个传感器,监控从燃料混合物到驾驶室一氧化碳浓度的各种数据。加速度计负责检测碰撞并打开安全气囊,而陀螺仪负责感测方向变化。自动驾驶汽车需要随时掌握周围环境,传感器数量更是剧增。此外,手机中的新一代传感器可以记录更难破解的3D指纹图案;超灵敏麦克风可以让家庭自动化系统听清主人即便是轻声细语的指令;生物医学传感器可以监测您的健康状况,甚至探知您的想法。

许多传感器是MEMS(微机电系统),所用材料和工艺与半导体制造类似,只不过规模更大。尽管如此,加速度计和陀螺仪需要的尺寸控制已经超出我们的想象。而上述指纹传感器和麦克风使用先进压电材料,需要新的沉积和刻蚀工艺。

模拟和混合信号

传感器送出的电信号通常仍是模拟的,采用连续变化的电压或电流来表示。这些信号可能需要放大、过滤,或进行其他处理,而这就需要用到模拟电路。模拟电路也被用于另一个方向,例如放大音频信号并传送到音响系统中的扬声器。还有一个重要的模拟应用是无线电音频信号,比如WiFi、蓝牙和蜂窝网络无线通信,以及辅助驾驶系统中的雷达。

模拟电路不一定需要小尺寸,但对设计和制造工艺的要求却很苛刻,因为任何组件的微小变化都可能给电路带来意想不到的后果。

混合信号电路包括数字组件和模拟组件。转换模拟信号和数字信号的器件必须是混合信号器件。随着制造商力求以更少的芯片整合更多的功能,这种电路迅速扩张。在相同芯片上打造不同晶体管时(例如,用于模拟电路的双极晶体管、用于数字电路的CMOS、用于电源的DMOS),所用的制造工艺的要求与数字电路专用的CMOS工艺大相径庭。混合信号电路现在正从200mm 晶圆过渡至300mm 晶圆,非常适合多年前经历相同过渡阶段的桥接工具。

电源

虽然供电和电源管理不是信号转换链的一部分,但仍是所有器件的基础要求。从用于风力涡轮机和高速列车的高功率器件,到电动汽车中的快速充电/高功率器件,其应用范围十分广泛。此外,快速充电和电源管理也是小型移动手持式设备的关键要求。这些应用涉及不同技术。一些应用包括具有较大横向尺寸的垂直结构,而一些应用则基于宽带隙半导体,例如氮化镓和碳化硅。

我们曾在之前的推送“刻蚀设备的返老还童之旅”中介绍过,泛林集团在15年前推出的200至300mm桥接工具Versys® Kiyo45™经调整后在硅晶圆衬底上刻蚀GaN和AlGaN,为新的功率器件制造高电子迁移率晶体管。

光子与光电器件

随着对数据需求的增加,及网络开始向5G进行过渡,对于光子与光电电路的需求出现了激增。这些器件可转换光信号与电信号:激光和发光二极管(LED)可用于光信号或电信号;微型LED手机显示屏正在开发中;光电探测器可接收信号并捕捉图像;电光调制器可调制光信号相位、频率、振幅或偏振;光隔离器可保护电子电路不受杂散电压影响和干扰;波导管在芯片内传送信号。

有源光子与光电器件通常以宽带隙化合物半导体制造,而像波导管这样的无源组件通常是硅基器件。这些器件的制造工艺需要良好的跨晶圆均匀性,及对光学属性的严格控制,例如折射率。

互联电子器件在各种新兴应用市场(便携式/可穿戴、物联网、5G蜂窝、云存储、自动驾驶汽车等)中的快速扩张催生了对于专业制造工具的需求。许多上述器件并不需要超小尺寸的先进节点,而是可以使用以较大的旧节点制造的系统。当然,其中许多系统仍需要进行特定修改或选择性升级,以融入前沿领域的新技术和经验。


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