时间：2023-11-26 15:37:49
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太阳电池在工作的过程中，光电转换效率并不只由本身的材料决定，还受到许多因素如：入射光反射，电极制作过程中金属半导体接触的质量，电池栅线遮光率等，这些都会使电池的效率下降。针对这些问题，本文探讨了利用工艺技术提高光电转换效率的主要途径。
【关键词】太阳能电池 工艺技术
太阳电池光电转换效率受到许多因素的影响，各子电池材料的搭配生长很重要，这决定了电池对光的吸收转换能力。太阳电池在工作的过程中，光电转换效率并不只由本身的材料决定，还受到许多因素的影响。例如，电池表面的入射光反射，电极制作过程中金属半导体接触面积过大导致少子复合速度提高，电池栅线遮光等，这些都会使电池的效率下降。因此，优化器件制造后工艺，对于充分利用太阳能，提高太阳电池的光电转换效率及降低成本具有重要的意义。
针对以上问题，利用工艺技术提高光电转换效率的途径主要有：
1 合理设计栅线结构
如果栅线宽度较大（通常大于10微米）将造成遮光较大，电池填充因子较低，同时金属与半导体接触面积增大将使表面扩散浓度升高，进而影响表面钝化的效果。因此电极栅线的设计显得格外重要，如何使电极线分布广泛，进而快速有效地收集聚光时产生的高密度光生载流子，同时尽可能增大电极透光面积、减小电极电阻是设计的重点。根据现有工艺条件以及预先设定的电池参数（开路电压、短路电流密度、最佳工作点的输出电压和输出电流密度等） 进行设计，合理的栅线结构可以将电极金属层电阻功率损耗，栅线遮挡造成的功率损耗，接触电阻功率损耗，接触层横向电阻功率损耗值降至最低。
2 在电池表面镀多层减反射膜
减反射膜是利用光在减反射膜的两侧处反射光存在位相差的干涉原理而达到减反射效果，可利用菲涅耳公式求得反射率。对于多层膜系， 通常引入光学导纳的概念来分析多层光学薄膜的反射性质，将整个系统等效为一个单层膜，求出多层膜系的等效菲涅耳系数，从而求出反射率。膜系的反射率R取决于上面的膜层结构参数。一般情况下，垂直入射和入射光的光谱分布是已知的，因此可通过调整膜系的层数m和各层膜的光学厚度来得到最小的反射率。
太阳光分布在一个较大的波长范围内，因此，对太阳电池要求在一个较宽的光谱范围内有良好的减反射效果，使更多入射光能进入电池。多层减反膜能够在多个波长附近有好的减反射效果，这样就展宽了具有良好减反射效果的波长范围。为搭配具有良好光电转换能力的太阳能电池材料，减反射膜材料的选择必须满足以下几个条件：
（1）适宜的透明范围，在对应于各太阳能电池吸收层材料波段的光吸收系数最小，尽可能避免光子在进入吸收层前被吸收，浪费光能；
（2）良好的光学、化学稳定性，以保证其在高温聚光条件下或空间极端条件下仍可正常工作；
（3）与窗口层材料结合以及膜层之间的结合性能、牢固度好；
（4） 保证膜层之间、膜与窗口层材料之间的折射率相匹配，这需要遵循麦克斯韦电磁方程组和菲涅耳公式进行多层膜系光学性质的推演，并不是随意的材料都可以进行组合，选择最恰当的材料折射率搭配才能达到最小的反射效果。
满足以上条件的双层膜系有很多，如TiO2/Al2O3、TiO2/SiO2、ZnS/MgF2或ZnS/ZnSe等。在地面应用中，对于III-V族级联电池，MgF2与ZnS组合的减反射膜能给出最佳的减反射效果。
今后，高效率电池的材料会随着资源开发的加剧越来越贵，在如何保证转换效率较高的情况下降低材料的成本就显得尤为重要，尽可能地增加入射光，研发新型减反射结构也是提升电池效率降低电池成本的一个有效途径。
参考文献
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作者简介
詹锋（1980-），男，广西壮族自治区南宁市人。北京师范大学博士，中国科学院博士后，现广西大学有色金属材料国家重点实验室培育基地副研究员，研究方向为有色金属新能源材料。
关键词：自动化测试仪表 可靠性 人机对话
中图分类号：TP21 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（c）-0000-01
科学技术的飞速发展促使社会意识形态发生转变，使得人们对生活的追求更加富有人文主义特色，社会各领域对环境的要求更加严格，对产品的现代化程度要求更高，其中节能减排战略促使新型能源产业风靡全球，带动了全球半导体技术的进一步发展，比如太阳能行业逐渐成为新时期的朝阳产业，该行业中对仪器仪表提出了新的要求。作为现代化仪器仪表的制造商，间接地为现代化科技的发展创造了基础科研平台，通过提供先进的仪表，可以提高用户的生产效率，提升产品质量，监控排放，为低碳经济做出更大的贡献。
1 半导体行业对自动化仪器仪表需求分析
1.1 自动化仪器仪表现状
全球科技创新的日新月异带动了我国制造业的飞速发展，进入新世纪以来，我国半导体行业对自动化仪表的需求明显加强，无论从技术特点还是市场数量上都呈现递增趋势，从技术含量上分析，我国科研、量产中所使用的自动化仪表已经处于世界领先水平。
上世纪初，国内仪器仪表稳步发展，主要源于工业半导体行业的需求增加，从技术层面上拉动了整个行业技术水平的提升，尤其在新产品开发上取得了显著成效，比如说拥有自主知识产权的电磁流量计、智能化电动机执行系统等。
1.2 半导体行业对自动化仪器仪表的需求分析
目前，我国半导体行业使用较多的仪器仪表主要是小型检测单元，比如在集成电路、液晶显示、半导体薄膜、太阳能电池制备等领域的使用较为频繁。自动化仪器仪表的使用往往依赖于半导体设备的发展程度，现阶段该行业中使用较多的是各种薄膜沉积系统、成分检测系统等，涵盖面较广的是PECVD（plasma enhanced chemical vapor deposition）、HWCVD（Hot wire chemical vapor deposition）、MOCVD（metal organic chemical vapor deposition）系统以及相关检测设备等。半导体设备中对压力计、传感器、流量计、温度计等元器件的使用较多，尤其在半导体行业制备薄膜材料的工艺中对以上元器件的要求相对较高。
（1）压力表
由于半导体技术具有相对较高的精密性，在半导体薄膜的制备工艺中，要求对工艺参数精确控制，反应腔室内部工艺气体的压力大小，成为该行业工艺技术中的核心参数。对工艺气体压力的检测通常采用压力计以及相关的各种真空检测设备。半导体设备的正常运行必须以厂务设施作为保证，包括水、电、气等条件，其中“水”主要用于设备冷却或者恒温加热，因此需要采用压力表对水压、CDA（condensed air）等进行严格控制方可保证工艺正常运行。
（2）流量计
流量计一般应用在化学沉积系统中，对气体流量起到监测、控制作用。对于半导体工艺来说，产品制备工艺参数是决定器件性能的关键因素，其中化学气相沉积系统中反应气体的流量对最终产品质量起到直接的决定性作用，对气体流量的控制不仅要体现动态时效性，更重要的是要在量的控制上具备较高的精确度，目前国内制备MFC的技术已相对成熟，为我国半导体行业的发展奠定了基础。
（3）传感器
传感器在现代工业时代的使用极为广泛，半导体设备中对传感器的使用大多体现在设备机械传动部分。在半导体产品制造中，要实现设备的流水线运行，离不开高可靠型的传感器元件，通过传感器协调不同工序、设备不同部位的联动，进而保证整个工艺的流水线运行。
（4）温度计
随着科学技术的发展和现代工业技术的进步，测温技术也不断地改进和提高，其中金属温度计是利用两种不同金属在温度改变时膨胀程度不同的原理工作的，在半导体紧密制造中通常用来检测液体、气体的温度，测试温度偏中低水平，适合工艺流程中在线、动态、实时监测。
半导体工艺中对金属温度及的使用大多是用来检测特殊反应气体的温度，由于普通加热器很难通过热电偶检测衬底温度，通常在反应腔室特殊部门安装金属温度计监测生长基元的温度，从测量精度和实际可操作性上提高了半导体工艺的可行性。
2 自动化仪器仪表在半导体行业的发展趋势
自动化测试仪表技术未来发展趋势主要体现在高智能化、高可靠性、高精密度、优良的响应性能等方面，半导体行业仪器仪表技术主要针对具体应用特性而体现出以下几个发展方向：
2.1 人机对话智能化发展
人机对话技术是自动化仪器仪表发展的核心方向，也是未来信息化社会的主流技术，半导体行业对仪器仪表的使用目的是为了便于更好的控制工艺流程，提高对设备的可控性，如果自动化测试仪表具有强大的人机对话特性，能够快速、准确的体现设备运行状态，在半导体制造工业中无疑起到了举足轻重的作用。自动化仪表的人机对话性能是通过设备控制端和仪器之间的对话界面实现，通过人类可以识别的界面端口，读取仪表对设备状态的检测数据，从而对工艺过程起到指导作用。
2.2 集成技术的标准化发展
自动化仪表的应用直接依赖于其能否与其他设备形成对话流畅的有机整体，随着人类科学技术的不断进步，半导体行业对自动化仪表的使用需求逐渐增多，不同设备具有不同的逻辑控制系统，如何将自动化测试仪表的接口、通信、软件控制单元和半导体设备逻辑控制语言相融合成为该行业技术发展的瓶颈，如果实现测试仪表在不同半导体设备上的集成标准化，将大幅度提升自动化测试技术的进步。
2.3 可靠性技术的提高
自动化仪表在工业生产中起到“中枢神经”的作用，对其可靠性不容忽视，尤其对于大型复杂的工业系统中，自动化仪器的可靠性关系到整个企业、乃至行业的发展命脉。对于半导体企业检测与过程控制仪表，大部分安装在工艺管道、工序过渡段，甚至多数环境存在有毒、易燃、易爆等特种气体，这些特殊环境对自动化仪表的维护增加了很多困难。因此，在使用特种气体的半导体行业中对自动化检测仪表的可靠性具有较高的要求，尽可能降低其维修频率，为工业安全生产提供必要保证。
3 结语
当今世界已经进入信息时代，自动化技术成为推动科学技术和国民经济高速发展的关键因素，其中自动化测试仪表作为科研、工业化生产的基础硬件设施而不断发展成熟，在半导体行业中的应用逐渐广泛深入。随着行业科研水平的提高，对自动化仪器仪表有了更好的要求，可靠性、集成技术、智能对话特性成为自动化测试技术发展的首要任务，对自动化测试技术以及测试仪表的使用起到举足轻重的作用。
参考文献
关键词:节能;减排;功率半导体
Foundational Technology of Energy-Saving & Emission Reduction ――Power Semiconductor Devices and IC’s
ZHANG Bo
(State key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices,
University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054,China)
Abstract: Power semiconductor devices and IC’s, an important branch of semiconductor technology, are a key and basic technology for energy-saving and emission reduction with the wide spread use of electronics in the consumer, industrial and military sectors. The development,challengeand market of power semiconductor devices are discussed in this paper. The future perspectives and key development areas of power semiconductor devices and IC’s in China are also described.
Keywords: Energy-saving; Emission reduction; Power semiconductor device
1引言
功率半导体芯片包括功率二极管、功率开关器件与功率集成电路。近年来,随着功率MOS技术的迅速发展,功率半导体的应用范围已从传统的工业控制扩展到4C产业(计算机、通信、消费类电子产品和汽车电子),渗透到国民经济与国防建设的各个领域。
功率半导体器件是进行电能处理的半导体产品。在可预见的将来,电能将一直是人类消耗的最大能源,从手机、电视、洗衣机、到高速列车,均离不开电能。无论是水电、核电、火电还是风电,甚至各种电池提供的化学电能,大部分均无法直接使用,75%以上的电能应用需由功率半导体进行变换以后才能供设备使用。每个电子产品均离不开功率半导体器件。使用功率半导体的目的是使用电能更高效、更节能、更环保并给使用者提供更多的方便。如通过变频来调速,使变频空调在节能70%的同时,更安静、让人更舒适。手机的功能越来越多,同时更加轻巧,很大程度上得益于超大规模集成电路的发展和功率半导体的进步。同时,人们希望一次充电后有更长的使用时间,在电池没有革命性进步以前,需要更高性能的功率半导体器件进行高效的电源管理。正是由于功率半导体能将 ‘粗电’变为‘精电’,因此它是节能减排的基础技术和核心技术。
随着绿色环保在国际上的确立与推进,功率半导体的发展应用前景更加广阔。据国际权威机构预测,2011年功率半导体在中国市场的销售量将占全球的50%,接近200亿美元。与微处理器、存储器等数字集成半导体相比,功率半导体不追求特征尺寸的快速缩小,它的产品寿命周期可为几年甚至十几年。同时,功率半导体也不要求最先进的生产工艺,其生产线成本远低于Moore定律制约下的超大规模集成电路。因此,功率半导体非常适合我国的产业现状以及我国能源紧张和构建和谐社会的国情。
目前,国内功率半导体高端产品与国际大公司相比还存在很大差距,高端器件的进口替代才刚刚开始。因此国内半导体企业在提升工艺水平的同时,应不断提高国内功率半导体技术的创新力度和产品性能,以满足高端市场的需求,促进功率半导体市场的健康发展以及国内电子信息产业的技术进步与产业升级。
2需求分析
消费电子、工业控制、照明等传统领域市场需求的稳定增长,以及汽车电子产品逐渐增加,通信和电子玩具市场的火爆,都使功率半导体市场继续保持稳步的增长速度。同时,高效节能、保护环境已成为当今全世界的共识,提高效率与减小待机功耗已成为消费电子与家电产品的两个非常关键的指标。中国目前已经开始针对某些产品提出能效要求,对冰箱、空调、洗衣机等产品进行了能效标识,这些提高能效的要求又成为功率半导体迅速发展的另一个重要驱动力。
根据CCID的统计,从2004年到2008年,中国功率器件市场复合增长率达到17.0%,2008年中国功率器件市场规模达到828亿元,在严重的金融危机下仍然同比增长7.8%,预计未来几年的增长将保持在10%左右。随着整机产品更加重视节能、高效,电源管理IC、功率驱动IC、MOSFET和IGBT仍是未来功率半导体市场中的发展亮点。
在政策方面,国家中长期重大发展规划、重大科技专项、国家863计划、973计划、国家自然科学基金等都明确提出要加快集成电路、软件、关键元器件等重点产业的发展,在国家刚刚出台的“电子信息产业调整和振兴规划”中,强调着重从集成电路和新型元器件技术的基础研究方面开展系统深入的研究,为我国信息产业的跨越式发展奠定坚实的理论和技术基础。在国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)中明确提出,功率器件及模块技术、半导体功率器件技术、电力电子技术是未来5～15年15个重点领域发展的重点技术。在目前国家重大科技专项的“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”和“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”两个专项中,也将大屏幕PDP驱动集成电路产业化、数字辅助功率集成技术研究、0.13微米SOI通用CMOS与高压工艺开发与产业化等功率半导体相关课题列入支持计划。在国家973计划和国家自然科学基金重点和重大项目中,属于功率半导体领域的宽禁带半导体材料与器件的基础研究一直是受到大力支持的研究方向。
总体而言,从功率半导体的市场需求和国家政策分析来看,我国功率半导体的发展呈现以下三个方面的趋势:① 硅基功率器件以实现高端产品的产业化为发展目标;② 高压集成工艺和功率IC以应用研究为主导方向;③ 第三代宽禁带半导体功率器件、系统功率集成芯片PSoC以基础研究为重点。
3功率半导体技术发展趋势
四十多年来,半导体技术沿着“摩尔定律”的路线不断缩小芯片特征尺寸。然而目前国际半导体技术已经发展到一个瓶颈:随着线宽的越来越小,制造成本成指数上升;而且随着线宽接近纳米尺度,量子效应越来越明显,同时芯片的泄漏电流也越来越大。因此半导体技术的发展必须考虑“后摩尔时代”问题,2005年国际半导体技术发展路线图(The International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)就提出了另外一条半导体技术发展路线,即“More than Moore-超摩尔定律”, 如图1所示。
从路线图可以清楚看到,未来半导体技术主要沿着“More Moore”与“More Than Moore”两个维度的方向不断发展,同时又交叉融合,最终以3D集成的形式得到价值优先的多功能集成系统。“More Moore”是指继续遵循Moore定律,芯片特征尺寸不断缩小(Scaling down),以满足处理器和内存对增加性能/容量和降低价格的要求。这种缩小除了包括在晶圆水平和垂直方向上的几何特征尺寸的继续缩小,还包括与此关联的三维结构改善等非几何学工艺技术和新材料的运用等。而“More Than Moore”强调功能多样化,更注重所做器件除了运算和存储之外的新功能,如各种传感功能、通讯功能、高压功能等,以给最终用户提供更多的附加价值。以价值优先和功能多样化为目的的“More Than Moore”不强调缩小特征尺寸,但注重系统集成,在增加功能的同时,将系统组件级向更小型、更可靠的封装级(SiP)或芯片级(SoC)转移。日本Rohm公司提出的“Si+α”集成技术即是“More Than Moore”思想的一种实现方式,它是以硅材料为基础的,跨领域(包括电子、光学、力学、热学、生物、医药等等)的复合型集成技术,其核心理念是电性能(“Si”)与光、力、热、磁、生化(“α”)性能的组合,包括:显示器/发光体(LCD、EL、LD、LED)+LSI的组合感光体、(PD、CCD、CMOS传感器)+LSI的形式、MEMS/生化(传感器、传动器)+LSI等的结合。
在功能多样化的“More Than Moore”领域,功率半导体是其重要组成部分。虽然在不同应用领域,对功率半导体技术的要求有所不同,但从其发展趋势来看,功率半导体技术的目标始终是提高功率集成密度,减少功率损耗。因此功率半导体技术研发的重点是围绕提高效率、增加功能、减小体积,不断发展新的器件理论和结构,促进各种新型器件的发明和应用。下面我们对功率半导体技术的功率半导体器件、功率集成电路和功率系统集成三个方面的发展趋势进行梳理和分析。
1) 功率半导体(分立)器件
功率半导体(分立)器件国内也称为电力电子器件,包括:功率二极管、功率MOSFET以及IGBT等。为了使现有功率半导体(分立)器件能适应市场需求的快速变化,需要大量融合超大规模集成电路制造工艺,不断改进材料性能或开发新的应用材料、继续优化完善结构设计、制造工艺和封装技术等,提高器件功率集成密度,减少功率损耗。目前,国际上在功率半导体(分立)器件领域的热点研究方向主要为器件新结构和器件新材料。
在器件新结构方面,超结(Super-Junction)概念的提出,打破了传统功率MOS器件理论极限,即击穿电压与比导通电阻2.5次方关系,被国际上誉为“功率MOS器件领域里程碑”。超结结构已经成为半导体功率器件发展的一个重要方向,目前国际上多家半导体厂商,如Infineon、IR、Toshiba等都在采用该技术生产低功耗MOS器件。对于IGBT器件,其功率损耗和结构发展如图2所示。从图中可以看到,基于薄片加工工艺的场阻(Field Stop)结构是高压IGBT的主流工艺;相比于平面结结构(Planar),槽栅结构(Trench)IGBT能够获得更好的器件优值,同时通过IGBT的版图和栅极优化,还可以进一步提高器件的抗雪崩能力、减小终端电容和抑制EMI特性。
功率半导体(分立)器件发展的另外一个重要方向是新材料技术,如以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料。宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、临界击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、抗辐射能力强等特点,是高压、高温、高频、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。宽禁带半导体SiC和GaN功率器件技术是一项战略性的高新技术,具有极其重要的军用和民用价值,因此得到国内外众多半导体公司和研究结构的广泛关注和深入研究,成为国际上新材料、微电子和光电子领域的研究热点。
2) 功率集成电路(PIC)
功率集成电路是指将高压功率器件与信号处理系统及接口电路、保护电路、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路,又称为智能功率集成电路(SPIC)。智能功率集成作为现代功率电子技术的核心技术之一,随着微电子技术的发展,一方面向高压高功率集成(包括基于单晶材料、外延材料和SOI材料的高压集成技术)发展,同时也向集成更多的控制(包括时序逻辑、DSP及其固化算法等)和保护电路的高密度功率集成发展,以实现功能更强的智能控制能力。
3)功率系统集成
功率系统集成技术在向低功耗高密度功率集成技术发展的同时,也逐渐进入传统SoC和CPU、DSP等领域。目前,SoC的低功耗问题已经成为制约其发展的瓶颈,研发新的功率集成技术是解决系统低功耗的重要途径,同时,随着线宽的进一步缩小,内核电压降低,对电源系统提出了更高要求。为了在标准CMOS工艺下实现包括功率管理的低功耗SoC,功率管理单元需要借助数字辅助的手段,即数字辅助功率集成技术(Digitally Assisted Power Integration,DAPI)。DAPI技术是近几年数字辅助模拟设计在功率集成方面的深化与应用,即采用更多数字的手段,辅助常规的模拟范畴的集成电路在更小线宽的先进工艺线上得到更好性能的电路。
4我国功率半导体发展现状、
问题及发展建议
在中国半导体行业中,功率半导体器件的作用长期以来都没有引起人们足够的重视,发展速度滞后于大规模集成电路。国内功率半导体器件厂商的主要产品还是以硅基二极管、三极管和晶闸管为主,目前国际功率半导体器件的主流产品功率MOS器件只是近年才有所涉及,且最先进的超结低功耗功率MOS尚无法生产,另一主流产品IGBT尚处于研发阶段。宽禁带半导体器件主要以微波功率器件(SiC MESFET和GaN HEMT)为主,尚未有针对市场应用的宽禁带半导体功率器件(电力电子器件)的产品研发。目前市场热点的高压BCD集成技术虽然引起了从功率半导体器件IDM厂家到集成电路代工厂的高度关注,但目前尚未有成熟稳定的高压BCD工艺平台可供高性能智能功率集成电路的批量生产。
由于高性能功率半导体器件技术含量高,制造难度大,目前国内生产技术与国外先进水平存在较大差距,很多中高端功率半导体器件必须依赖进口。技术差距主要表现在:(1)产品落后。国外以功率MOS为代表的新型功率半导体器件已经占据主要市场,而国内功率器件生产还以传统双极器件为主,功率MOS以平面工艺的VDMOS为主,缺乏高元胞密度、低功耗、高器件优值的功率MOS器件产品,国际上热门的以超结(Super junction)为基础的低功耗MOS器件国内尚处于研发阶段;IGBT只能研发基于穿通型PT工艺的600V产品或者NPT型1200V低端产品,远远落后于国际水平。(2)工艺技术水平较低。功率半导体分立器件的生产,国内大部分厂商仍采用IDM方式,采用自身微米级工艺线,主流技术水平和国际水平相差至少2代以上,产品以中低端为主。但近年来随着集成电路的迅速发展,国内半导体工艺条件已大大改善,已拥有进行一些高端产品如槽栅功率MOS、IGBT甚至超结器件的生产能力。(3)高端人才资源匮乏,尤其是高端设计人才和工艺开发人才非常缺乏。现有研发人员的设计水平有待提高,特别是具有国际化视野的高端设计人才非常缺乏。(4)国内市场前十大厂商中无一本土厂商,半导体功率器件产业仍处在国际产业链分工的中低端,对于附加值高的产品如IGBT、AC-DC功率集成电路,现阶段国内仅有封装能力,不但附加值极低,还形成了持续的技术依赖。
笔者认为,功率半导体是最适合中国发展的半导体产业,相对于超大规模集成电路而言,其资金投入较低,产品周期较长,市场关联度更高,且还没有形成如英特尔和三星那样的垄断企业。但中国功率半导体的发展必须改变目前封装强于芯片、芯片强于设计的局面,应大力发展设计技术,以市场带动设计、以设计促进芯片,以芯片壮大产业。
功率半导体芯片不同于以数字集成电路为基础的超大规模集成电路,功率半导体芯片属于模拟器件的范畴。功率器件和功率集成电路的设计与工艺制造密切相关,因此国际上著名的功率器件和功率集成电路提供商均属于IDM企业。但随着代工线的迅速发展,国内如华虹NEC、成芯8英寸线、无锡华润上华6英寸线均提供功率半导体器件的代工服务,并正积极开发高压功率集成电路制造平台。功率半导体生产企业也应借鉴集成电路设计公司的成功经验,成立独立的功率半导体器件设计公司,充分利用代工线先进的制造手段,依托自身的销售网络,生产高附加值的高端功率半导体器件产品。
设计弱于芯片的局面起源于设计力量的薄弱。虽然国内一些功率半导体生产企业新近建设了6英寸功率半导体器件生产线,但生产能力还远未达到设计要求。笔者认为其中的关键是技术人员特别是具有国际视野和丰富生产经验的高级人才的不足。企业应加强技术人才的培养与引进,积极开展产学研协作,以雄厚的技术实力支撑企业的发展。
我国功率半导体行业的发展最终还应依靠功率半导体IDM企业,在目前自身生产条件落后于国际先进水平的状况下,IDM企业不能局限于自身产品线的生产能力,应充分依托国内功率半导体器件庞大的市场空间,用技术去开拓市场,逐渐从替代产品向产品创新、牵引整机发展转变;大力发展设计能力,一方面依靠自身工艺线进行生产,加强技术改造和具有自身工艺特色的产品创新,另一方面借用先进代工线的生产能力,壮大自身产品线,加速企业发展。
5结束语
总之,功率半导体技术自新型功率MOS器件问世以来得到长足进展,已深入到工业生产与人民生活的各个方面。与国外相比,我国在功率半导体技术方面的研究存在着一定差距,但同时日益走向成熟。总体而言,功率半导体的趋势正朝着提高效率、多功能、集成化以及智能化、系统化方向发展;伴随制造技术已进入深亚微米时代,新结构、新工艺硅基功率器件正不断出现并逼近硅材料的理论极限,以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体器件也正不断走向成熟。
我国拥有国际上最大的功率半导体市场,拥有迅速发展的半导体代工线,拥有国际上最大规模的人才培养能力,但中国功率半导体的发展必须改变目前封装强于芯片、芯片强于设计的局面。功率半导体行业应加强技术力量的引进和培养,大力发展设计技术,以市场带动设计、以设计促进芯片,以芯片壮大产业。
【关键词】TCAD；ATHENA；半导体工艺；热氧化
0 引言
半导体热氧化过程中，需要使用各种氧化工艺设备，如卧式氧化炉、立式氧化炉、掺氯氧化炉等。在对氧化膜参数和性能测量时，也需要使用半导体参数测量仪、椭偏仪等仪器。这些设备仪器价格昂贵，购置和维护这些设备的费用远远超出了学校的承受能力，导致其中部分实验无法开设。在已经开设的部分半导体氧化实验中，实验人员一般是通过程序设定或者仪器操作进行实验，属于外部和宏观上的观察，对实验的过程和结果不能直观分析，往往是只能观察到部分结果，无法得到一个全面的认识。有些实验的准备时间和实验时间，如抽真空时间、薄膜氧化时间等过长，使得整个实验持续很久，效率低下，学生也感觉浪费了时间。另外有的实验，其过程简单枯燥，实验细节被工艺设备所阻隔，令人感到乏味，降低了学生的兴趣，影响教学效果。
1 TCAD技术在热氧化实验教学中的优势
现在很多的半导体工艺及器件的开发是由计算机仿真程序来完成的。这样的程序被称为TCAD。使用TCAD可以有效的缩短研发成本和研发周期[1]。此类TCAD软件种类较多，其中美国的Silvaco所设计的TCAD软件是最具代表性的工艺及器件仿真软件。Silvaco提供了TCAD Driven CAD Environment，这一套完整的工具使得物理半导体工艺可以给所有阶段的Ic设计方法提供强大的动力：制程模拟和器件工艺；SPICE Model的生成和开发；interconnect，parasitics的极其精确的描述；physically-based可靠性建模以及传统的CAD。所有这些功能整合在统一的框架，提供了工程师在完整的设计中任何阶段中所做更改导致的性能、可靠性等效果直接的反馈[2-3]。
TCAD技术构建的仿真制造系统，由于可以节约开发时间，减少开发成本[4]，已经在半导体工业界和科研领域得到广泛的应用，并获得很大的成功。应用TCAD技术构建虚拟实验教学，具有巨大的优势，可以获得明显的成效。首先，利用TCAD技术进行虚拟实验，所需要的时间少、速度快[5]。一个基本热氧化过程一般需要几小时或更多的时间，而用软件模拟一次仅需要几分钟。其次，基于程序的仿真流程，命令简单，操作易于上手，而且即使出现错误操作，也不会损伤仪器，因此虚拟实验的管理维护费用可以基本忽略[6]。再次，在实验前后以及进行过程中，可以随时观察各项数据（包括形貌、杂质分布、电场分布、电流、电阻等），可以分析每一步操作的中间结果，从而得到即时全面的认知。
2 半导体热氧化仿真程序的教学实践
2.1 教学设计
在半导体热氧化虚拟实验的开设过程中，我们可以将其设计为验证性实验、也可以设计为探究式实验。验证性实验通过指定某些特定的工艺步骤和工艺流程，建立起规定的微电子器件结构，进行基础电学特性的仿真。这类实验着重培养学生软件操作、程序编写和数据处理与输出等基本技能，并验证课本中的工作原理、变化过程和结果，获得直观和正确的认识。探究性实验只指定产生的器件结构和测量要求，让学生自行设计实验并加以仿真实现。此类实验可以激发学生的好奇心，提高专业学习的积极性，培养学生的创新思维口引。在具体实践中，我们是以验证性实验来开设的，以后会进行探索性实验来进行，并将根据教学效果和学生反馈继续进行调整。
2.2 热氧化厚度与氧化时间的关系的仿真程序
其程序设计如下：
go athena
line x loc=0.00 spac=0.01
line x loc=0.6 spac=0.01
line y loc=0.00 spac=0.01
line y loc=0.80 spac=0.01
init silicon
Diffuse time=t temp=T dryo2
extract name="gateoxide" thickness material="SiO～2" x.val=0.3
quit
其中，t表示氧化时间，T表示氧化温度。以下表1和表2分别在温度1000℃和1100℃时进行干法氧化实验时，并分别在不同的时间下抽取所得氧化层厚度的测量数据。干法氧化实验所选用的衬底材料为P型硅。
表1 温度T=1000℃ 干氧化dryo2
表2 温度T=1100℃ 干氧化dryo2
硅干氧氧化层厚度与氧化时间的关系如上表所示，从表可以看出，在同一温度下，氧化层厚度随时间增加而增加，基本上是均匀增加的。在同一时间下，温度越高，氧化层越厚。
可见，在实际实验教学中，教师可以根据实验教学需要灵活设计实验教学内容，从而摆脱固定的书本讲授内容的限制。TCAD技术的应用不仅丰富了半导体工艺实验教学内容，也使学生较早地了解半导体工艺流程和半导体器件的TCAD设计方式，为学生以后更好的适应工作单位的使用需求打下坚实的基础。
3 仿真实验教学实施中存在的问题与解决方案
仿真实验教学在实施过程中也会遇到一些问题，主要有：
仿真实验是通过程序窗口和编写命令来实现工艺操作和器件测试的，这使得学生对实际的设备、仪器的使用方法和操作流程没有概念，也就是说缺少真实的操作经验。对于这个问题：一方面，可以通过与普通的半导体氧化实验相结合，掌握一般仪器的使用方法；另一方面，也可以利用到工厂参观和实习的机会，观摩实际操作流程，加深对设备的认识。
4 结束语
综上所述，在半导体工艺实验教学体系中开设基于TCAD技术的虚拟实验，可以节约实验室建设成本，减少实验时间。虚拟实验能够直接观察实验过程以及微电子器件内部的各种参数，通过工艺、结构的变化分析工艺和器件的运行机制和工作原理，与相关课程的理论教学密切结合并能扩展和提高，从而激发学生的学习兴趣，加深对课程的理解，增强动手能力。合理地安排实验规划，采用适当的方法解决虚拟实验教学中的问题，可以完善微电子专业教学体系，提升教学效果，培养出优秀的应用型微电子专业人才。
【参考文献】
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关键词：半导体 LED 灯具 散热
1 散热机构的设计与半导体灯具寿命息息相关
对于半导体灯具设计，散热机构设计是设计中的重要一环，散热机构设计能减少材料从而节约成本、提高LED灯珠的可靠性与寿命，长时间工作使用会比较容易造成每个器件性能降低，半导体灯具急速光衰，并造成安全事故，严重影响用户体验。
2 半导体灯具的散热器制造工艺现状
传统的半导体灯具仅仅将LED灯珠嵌设在铝材质制造而成的散热体内，利用铝材质良好的散热性能，将LED灯珠产生的热量散发出去，进而降低LED灯珠工作时升高的温度。尤其是对于大功率LED灯珠矩阵都会通过配置大型散热体来解决散热问题，然而问题随之而来：一方面，半导体灯具的总功率不断上升，为增加散热面积其对应的散热体也越做越大，е铝诵矶喽钔獬杀究销，灯具的重量也无法接受；另一方面，由于LED灯珠在使用时还需安装于专用光学灯罩内，有时候甚至是安置于一个相对密封的罩体中，由于密封的罩体内热量无法与外界空气形成对流，只能通过简单的辐射和大热阻的空气进行很少的热量传递。因此，现有LED灯珠即使使用散热面积较大的散热体，甚至散热体上加置散热风扇，也无法将LED灯珠发出的热量迅速带走，最终导致热量囤积于散热体上，使散热效果大打折扣，从而影响LED灯珠的使用寿命。目前市面上的半导体光源灯具散热器造型各异，散热器的制作工艺大都是采用铝材压铸成型工艺和挤压型材切割工艺制造，导热系数低、散热器重量较大、耗材多、后加工复杂、生产效率低、生产成本高。
2.1 铝合金压铸工艺
铝合金压铸工艺和塑料注塑工艺原理接近，都是将原材料加温成液态后填充到模具型腔形成产品，铝合金压铸的材料有ADC12、A380、A360、YL113，常用的材料是ADC12，相对于其他材料，它更加容易成型，优异的后加工和机械性能。
优点：（1）一体化压铸成型，整体性强；（2）外观可设计弧面，有利于工业造型。
缺点：（1）导热系数低（约为96 W/M・K）；（2）表面处理受限制。
2.2 铝挤出成型工艺
铝挤出成型工艺目前在大功率路灯、隧道灯领域相对广泛，近年来室内较少用。常用的材料为AL6063，相对于压铸ADC12材料，它具有很好的导热系数（一般为200 W/M・K）。
优点：（1）导热系数高；（2）容易做表面处理。
缺点：单向挤压型材，外观结构受到限制。
2.3 散热鳍片拼接扣工艺
散热鳍片常用的是五金冲压加工得到，容易实现自动化生产，使用的材料有导热铝合金。
优点：（1）散热面积多，需配合风扇形成空气流效果才能更好；（2）重量轻便。
缺点：成本较高。
2.4 热管结合散热鳍片工艺
热管结合散热鳍片相对来看成本较高，同时对外观和尺寸有一定要求。这将导致市面上一些小型公司放弃使用该项技术。
优点：（1）LED灯珠工作时发出的热能快速传导到散热器散热鳍片；（2）重量轻便。
缺点：（1）工艺相对复杂；（2）成本较高。
2.5 导热塑料注塑成型工艺
导热塑料分为两大类：导热导电塑料和导热绝缘塑料。半导体灯具散热器常用的是导热绝缘塑料。导热绝缘塑料主要成分包括基体材料和填料。基体材料包括PPS、PA6/PA66、PPA、PEEK等，填充材料包括AIN、SIC、AL203、石墨、纤维状高导热碳粉等。
优点：（1）一次成型，光泽度高；（2）绝缘性能优异，宜采用各种不同的电源方案。
缺点：（1）导热系数低；（2）重量相对金属较轻。
2.6 塑包铝结构工艺
市面上现有的塑包铝结构分为两种：（1）导热塑料和铝件是独立分开的2个组件，通常这种做法易成型加工，不需要先把铝块放置注塑模型腔内成型加工得到一体，而是后续通过机械固定结构将独立分开的2个组件固定形成一个整体。（2）导热塑料和铝件是一体注塑成型加工得到的。
优点：表面为导热塑料，绝缘性能好，安全。
缺点：成型工艺复杂。
3 半导体灯具散热
热量的3种传递方式有辐射、对流和传导。一般而言，LED灯珠工作时会产生光和热，散热器通常就是要把LED灯珠工作时产生的热散发出去，从能量层面来看，热并非能量，其实只是传递能量的形式，当外界能量冲击分子，能量就会由高能分子传递到低能分子，从微观层面来看，能力的传递就是热。通常，LED灯珠通过机械结构固定在散热器表面，LED灯珠与散热器的接触良好是决定LED灯珠工作时产生的热量传导到散热器的关键因素，半导体散热器的散热结构还需充分运用空气对流换气，通过传导与对流，使LED灯珠工作时产生的热量散发到空气中。
4 设计优化散热机构
4.1 半导体灯具散热设计方法的选择
散热机构设计通常使用EFD、ANSYS软件仿真，通常流体的固定边界与黏性对流体的阻力所产生的影响，使得流体中的流体元素会小部分受沿程阻力的干扰，另一方面，半导体灯具通常需要增加风扇来加速空气流动，由于风扇的增加会导致半导体灯具机构设计的复杂性，从另一角度来看，也会大大降低半导体灯具的可靠性。因此，半导体灯具的散热器采用被动式自然散热的方式，散热器的外观轮廓依据半导体灯具结构来定，因而直接利用半导体灯具外观从而设计成整体式散热器，针对散热器接触面平整度、基板厚度、散热片状条形状、散热片数量、散热片厚度、散热片与散热片的空气流动、散热片与空气接触的面积等，按照散热器相关设计准则进行优化设计，最后进行打样测试和分析定论。
4.2 被动式散热器设计
参照图1和图2，半导体灯具的散热机构包括基板1和灯体2，基板1经过旋压工艺拉伸出灯体2，再将灯体2上多余部分剪除使灯体2成圆筒状，基板1经过五金冲压扭曲后局部向上隆起形成带拉开片4的散热叶片3并形成通气孔5，基板1上第一围圆形排布设计有14条，第二围圆形排布有36条向散热器外部冲压扭曲的散热叶片3，拉开片4增加了基板1与散热叶片3的接触面积并且垂直分布，结合热量向上散发的特性，从而加快散热速度，提高整体性能。
5 结语
目前，半导体灯具得到广泛应用，其具有体积小、重量轻、使用寿命长和节能效果极佳等优点，但是半导体灯具跟半导体一样普遍存在发热量大、热量不易散发的问题，热量的积累容易导致半导体光源寿命减少、发光效率降低。上述优化后的被动式散热器设计具有制作工艺简单、易一次性成型加工、扭曲过程中较少废料、材料利用率高、生产成本低等优点。
参考文献
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为了分析半导体制冷器工艺设计方法与制冷效率的关系，探讨其工作寿命的影响因素，文章通过改进半导体制冷器基板材料，采用新型胶黏剂，并通过实验来对比分析半导体电偶间不同的铜片排布方式对制冷器制冷性能、寿命的影响。实验结果表明，连接铜片排布回路形式对制冷性能影响不大，但对产品的使用寿命有一定的影响。铜线排列走向简单，电阻变化率低，使用寿命相对较长。
关键词:
半导体制冷器;制冷性能;基板;铜片回路
半导体制冷技术因其具有的独特优点而在各行各业得到了广泛的应用［1-3］。为提高其性能、增强机械强度和稳定性，国内外有关科技人员进行了很多研究工作。宣向春等［4］提出可在普通半导体电臂对的P型和N型电偶臂之间淀积一层厚度适当的银膜，提高电偶对的制冷性能。李茂德［5］和任欣［6］等认为，提高制冷系统热端的散热强度可以改善半导体制冷器的制冷性能，但制冷性能并不能随散热强度的提高无限提高。
YANLANASHIM［7］优化了制冷系统设计方法。此外，GAOMin［8］等指出电偶臂的长度在很大程度上影响半导体的热电性能。YUJianlin［9］等详细研究了制冷单元的个数和电偶臂的长度对制冷性能的影响程度。本文主要对半导体制冷器的制造工艺进行了分析，讨论了不同的半导体铜片连接回路以及半导体电偶对与基板的黏结性能对半导体制冷器制冷效果及其寿命的影响，并通过实验进行了性能测试，实验结果可以为提高半导体制冷器的制冷性能及产品寿命提供较好的依据，具有一定的实际指导意义。
1半导体制冷器设计工艺
半导体制冷器的性能主要包括制冷效率和使用寿命，取决于组成半导体制冷器主体的制冷电偶对的设计制造工艺，半导体材料的热电优值系数及半导体制冷器系统的结构等［10］。本文仅讨论半导体制冷器基板材料以及不同的半导体铜片连接回路对半导体制冷器制冷效果及其寿命的影响。
1．1基板设计工艺半导体制冷器的导热绝缘层由陶瓷基板构成，由1个放热面和1个吸热面组成一组，2个面之间由铜片连接不同型的、相互错开的半导体颗粒，形成回路，如图1所示。陶瓷基板材料及基板厚度对半导体制冷器制冷效率有显著的影响。设计采用了质量分数为96%氧化铝(Al2O3)的陶瓷基板。同时，为提高半导体制冷效率，通过减薄陶瓷基板厚度(由目前的1．00mm，减薄到0．50～0．13mm)，降低热阻，提高了传热性能，制冷效率COP值得到提高，但成本相应增加;另外，也可以将基板换成氮化铝(AlN)，氮化铝热导率为180W•m－1•K－1左右(20℃环境温度下测试)，而氧化铝为22W•m－1•K－1左右(20℃环境温度下测试)，热导率提高了约7倍，同样也可以提高COP值，但是基板成本会更高，约为原来的10倍。
1．2铜片回路连接工艺将半导体电偶对、基板和接线端子用铜片焊接起来，形成通电回路。实验设计了2种不同回路走线方式A型和B型(CP/127/060/A和CP/127/060/B)，如图2～3所示，图中粗线为回路走线路径。由于基板与半导体颗粒间焊接了铜片，半导体颗粒与基板形成刚性连接，在温度变化的时候材料的内应力很大。因此生产工艺中将半导体颗粒与瓷片用胶黏剂粘接，用于卸去大部分应力，提高产品的寿命。但由于胶黏剂的导热性较差，制冷性能会受到一定影响。本文采用了自主研发的一种胶黏剂，粘接层很薄，热导率相对比较高，使得产品具有一定的市场竞争优势。
2半导体制冷器性能实验分析
2．1铜片排布方式对性能的影响实验现场如图4所示，实验原理如图5所示。实验材料:A型产品和B型产品各5个。实验时，将整个装置放置于真空中，测试仪器中设置好控制温度Th=50℃，先测试最大温度差ΔTmax值。在每个产品的基板上分别选择4个测试点，依次递增施加不同的测试电压(16～20V)，得到测试数据ΔT值，拟合曲线，找出极值点。极值点对应的ΔT值就是ΔTmax，其对应的电流就是Imax。然后给产品施加Imax的电流，通过加热片控制冷热面的温度差ΔT=0℃，测定此时的制冷量Qc值即为Qcmax，即加热片的功率。实验数据如表1～2所示。由表1～2可知，2种不同铜片排布形式，其温度差ΔT，制冷量Qc的数据差异均在实验仪器误差范围内，针对ΔT，Qc这两项来说，铜片回路形式对半导体制冷器制冷效率影响不大。
2．2铜片排布方式对产品寿命的影响对2种回路的制冷器分别进行制冷—制热循环实验。实验条件:1个循环为1min(40s制冷，制冷温度降到0．0℃，电流4．0A;20s制热，制热温度升到100．0℃，电流4．5A);压力280±20N，2．4万次循环实验结束。每0．15万次循环测1次电阻，若2．4万次循环之内，电阻变化率超过10%表示产品失效，实验结束。实验样品选择CP/127/060/A和CP/127/060/B各2组，实验结果如图6所示。由图6可知，在2．4万次循环结束时，A型产品2组实验样品的电阻变化率分别为1．35%和1．45%，而B型产品2组实验样品的电阻变化率均在2．04%左右。实验数据表明，A型基板的电阻变化率相对较低，寿命趋势相对较长。
3结论
通过理论分析和实验研究，得到以下结论:1)陶瓷基板材料及基板厚度对半导体制冷器制冷效率有显著的影响:氮化铝(AlN)基板因热导率高于氧化铝(Al2O3)，可以提高COP值，但其成本会提高;通过减薄陶瓷基板厚度降低热阻，可提高传热性能，提高制冷效率COP值。2)半导体颗粒与瓷片用胶黏剂粘接，可卸去大部分应力，提高产品的寿命。但由于胶黏剂的导热性较差，制冷性能会受到一定影响。可采用自主研发的胶黏剂，粘接层很薄，热导率相对比较高，保证产品在市场竞争上具有一定的优势。3)通过实验数据对比分析，温差ΔT和制冷量Qc的数据差异均在实验仪器误差范围内，针对ΔT和Qc来说，回路形式对半导体制冷器制冷效率影响不大。4)在寿命方面，在2．4万次循环结束时，A型成品电阻变化率分变为1．35%和1．45%，而B型均在2．04%左右。直观的数据对比显示A型基板的电阻变化率相对较低，寿命趋势相对更长。
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技术从来没有停止它前进的脚步: 20世纪80年代流行的随身听早己被MP3和MP4取代; 使用胶卷的相机如今风光不在，价廉物美的数码相机已随处可见; 90年代砖头式的“大哥大”现在己失去踪影，取而代之的是更小巧、更漂亮的智能手机。多功能的手机已取代计算器、BP机、电子表、MP4、数码相机、摄像机甚至银行卡和手持电脑，成为几乎人人可买得起的多功能电器。这一切在很大程度上要归功于半导体技术的进步。
计算机行业的发展也同样离不开半导体行业的技术进步。事实上，计算机核心部分之一CPU的运算能力的提高就与半导体制程工艺的进步密不可分，因为芯片制作工艺的改进意味着在同样的材料中可以制造更多的电子元件，意味着CPU的集成度的提高，CPU的功耗也越小。业界耳熟能详的多核处理器其背后就是65纳米和45纳米半导体制程工艺的出现。半导体工艺的最新进展是，32纳米技术即将在2009年进入实用，22纳米的技术也在紧锣密鼓地开发之中。综观全球32纳米微细技术开发, 主要有4个阵营: 第一阵营是英特尔公司，其次是IBM阵营，第三是日本公司和基本属于单打独斗的中国台湾的台积电，第四是位于比利时的欧洲微电子中心IMEC等。
“追求最先进”的英特尔公司
英特尔公司的特点是凭借雄厚的研究资金，开发最先进的32纳米工艺。
2007年9月英特尔公司领先业界在《开发者论坛》首次展出了32纳米工艺的测试用硅圆片。该硅圆片用于测试器件性能和试验新工艺是否合理，其并非实际的逻辑电路(一般只有生产出可实用的静态SRAM器件之后才能代表工艺基本成熟)。
按照英特尔公司2007年春天的“紧跟节拍”发展战略，2009年他们将推出32纳米工艺的微处理器并且投入批量生产。该微处理器开发代号为Westmere。英特尔公司的特点是凭借雄厚的研究资金，开发最先进的32纳米工艺。
2007年，英特尔公布的第一代32纳米技术主要内容为高温下进行制作的基于金属铪的高介电率绝缘层工艺及金属栅极技术。之前已有很多文章介绍，本文不再赘述。
2008年英特尔已开发出了第二代用于32纳米工艺的高介电绝缘介质/金属栅极技术。在业内率先量产高介电绝缘介质/金属栅极的英特尔，研究出在高温退火后形成栅极的新工艺，避免了高温对栅极的影响。采用第二代32纳米工艺制造的多核微处理器可集成19亿个晶体管。2008年英特尔的32纳米测试芯片为逻辑集成系统芯片和静态随机存取存储器（SRAM）。
参与英特尔研发的有美国美光科技公司，他们已共同开发成功采用34纳米工艺技术的多值NAND型闪存。从2008年下半年开始量产的产品是容量为32Gbit多值NAND型闪存，可用于SSD（固态硬盘）。据美光存储器部门副总裁Brian Shirley称，该芯片“在量产产品中是bit密度最高的存储器”。
“坚守传统工艺”的IBM阵营
IBM阵营的特点是在基本不改变传统工艺的基础上开发通用的32纳米技术。
与IBM共同开发32纳米节点的标准CMOS工艺技术的有7家大型半导体公司，包括美国AMD、美国飞思卡尔半导体、德国英飞凌技术、韩国三星电子、意法ST微电子、新加坡标准半导体和日本东芝。日本NEC和日立公司也陆续加入了这一研发队伍。经过一年多合作开发，2008年IBM阵营推出了32纳米体硅 CMOS通用制造平台“Common Platform”。该通用制造平台的工艺采用高介电率栅极绝缘介质和金属栅极。通过使用高介电率绝缘介质材料和金属栅极，可使器件性能提高约35%，功耗降低约50%。
IBM的工程师使用了“高介电率绝缘介质先制栅极”(High-K Gate-First)的新工艺。在栅极工艺中，如果在形成栅极的高温退火工序之前采用Hing-K/金属栅极，那么金属受到高温的影响，会导致栅极工作参数变化，使晶体管特性劣化。IBM阵营研究出了节电型和高速型两种32纳米器件的批量生产技术，并且能有把握将这些标准工艺技术延伸至22纳米。IBM阵营所开发的工艺力求尽可能采用传统工艺并且不大幅增加成本。为了降低成本，其节电型没有采用成本稍高的应变硅技术。
IBM的Hing-K/金属栅可以将低功耗氧化层厚度降低约10埃（1纳米为10埃），这样反型层厚度（Tinv）可以达到14埃。更薄的栅氧化层厚度提高了性能，可以将栅长降低到30纳米，同时还可将SRAM的Vmin保持在优化的量级。可以将接触孔靠得更近而不会出现短路的危险。
今年4月，IBM宣布可以让客户开始进行32纳米芯片的设计。从2008年9月开始，IBM的32纳米通用制造平台已正式开始“流片”试生产（Shuttle Service），已试制成功SRAM、NOR和NAND闪存以及其他逻辑电路。如采用IBM的32纳米低耗电工艺试制出了ARM处理器内核“Cortex-M3”。该试制芯片名为“Cassini”，基于通用平台的32纳米工艺明年5月完成，并将从2009年年底开始批量生产。第二次流片计划将于2008年12月启动，IBM和它在Fishkill的合作伙伴计划在2009 年下半年开始进行32纳米低功耗工艺的量产。
IBM公司和英国ARM于2008年10月采用IBM阵营的体硅 CMOS通用制造平台“Common Platform”，共同开发专门用于32纳米、28纳米工艺的经过优化的物理IP（标准单元和Memory Generator等）。他们在进行32纳米、28纳米工艺技术开发的同时，合作完成器件版图即物理IP的优化布局等工作。这样，可充分发挥32纳米制造工艺的特长，提高器件的质量和可靠性。
ARM的物理IP业务的竞争者――美国Virage Logic也于2008年10月在美国了32纳米商用物理IP的专用化技术。
“极力降低成本”的台积电
台积电的特点是尽量延长45nm工艺的寿命，以便能最大限度降低代工生产的成本。
台积电已开发成功不需要采用高电介质栅极绝缘介质和金属栅极的32纳米技术工艺。这种低成本的32纳米工艺采用了其45纳米工艺中使用的SiON栅极绝缘介质。用SiON栅极绝缘介质可生产模拟和数字的集成系统芯片。在此基础上，2008年10月公布了其28纳米的工艺，该工艺有面向低功耗集成系统的SiON栅极绝缘介质技术和面向高功能集成系统的高介电率栅极绝缘介质/金属栅极技术两种。低功耗型适用于生产手机的基带LSI和应用处理器等。与该公司的40纳米工艺的低功耗型产品相比，器件的栅极密度为其2倍，工作速度最大可提高50%。器件功耗在工作速度相同的条件下可降低30%～50%。高功能型适用制造微处理器、图形处理器和FPGA等通用器件。与该公司40纳米工艺的高功能型相比，在功耗相同的情况下，器件栅极密度为其2倍，工作速度提高30%以上。参加台积电研发的有与其合作多年的美国德州仪器公司的工程师。
应指出的是，台积电开发的SiON栅极绝缘介质32纳米节点技术, 相比高介电率栅极绝缘介质/金属栅极工艺，由于可减少栅极电容，从而降低器件功耗。但其缺点是器件漏电流没有显著降低。台积电认为，面对更加重视降低运行时功耗的需求（例如手机等便携产品），与注重减少漏电流的高介电率栅极绝缘介质技术相比，SiON栅极绝缘介质技术更具优势。
2008年10月在日本横浜举行的技术研讨会台积电宣布, 2010年年初开始量产的28纳米工艺仍将采用液浸ArF光刻 。
“着眼于批量生产”的日本公司
日本公司的 特点是: 开发出了在更微细线宽条件下的防漏电的新型电极材料以及防止重叠配线层之间相互影响的层间绝缘材料。
在半导体行业的竞争队伍中也有日本公司，限于财力，它们主要开发32纳米节点的批量生产工艺和关键技术。
由日本各半导体厂商联合出资组成的先进集成电路的开发组织Selete（半导体尖端技术的缩写）已开发成功32纳米大规模集成电路的制造工艺。其要点有三: 一是开发出了在更微细线宽条件下的防漏电的新型电极材料; 二是开发出防止重叠配线层之间相互影响的层间绝缘材料; 第三，日本早稻田大学开发了新电极材料, 可加速32纳米半导体技术的实用化研究。
防漏电的新电极材料是用于控制晶体管栅极的绝缘性能。传统的晶体管的栅极材料采用的是多晶硅。为了绝缘, 在多晶硅周围使用了氧化硅。然而随着器件的微细化，这会产生漏电流过大的问题。为解决这一问题，经试用多种材料后，Selete和日立公司确定采用氮化钛TiN作为栅极。传统的集成电路由pMOS和nMOS两种晶体管组成。经试测，TiN对于这两种晶体管电路均适用。即采用TiN后，有效地防止了漏电流。
绝缘材料采用了硅酸铪（Hafnium Silicate）。一般nMOS掺杂MgO，而pMOS掺杂氧化铝。如果pMOS和nMOS采用相同的金属栅材料，则可简化工艺和降低制造成本。此外，所开发的32纳米器件将通、断电压降低了0.2伏。由此，可期待该器件适于高速工作。
Selete的层间绝缘材料采用多孔氧化硅（Poraus Silica）。即在氧化硅上分布有无数个直径约4纳米的小孔。该孔为原来的二分之一。导电率为2.4，满足了32纳米器件的要求。
早稻田大学和物质材料研究研究所合作开发成功了用于32纳米半导体的新材料。这种材料由合金和炭组成，其可使器件稳定工作并且大幅度降低功耗。
NEC公司了通过降低层间绝缘膜的介电率（low-k），从而实现包括层间绝缘膜的任何层都可连续成膜的32纳米工艺的布线技术。
日本富士通开发出了不使用金属栅极材料的32纳米工艺CMOS技术，可降低生产成本。
日本松下和瑞萨公司合作，开发32nm量产工艺技术。它们采用氮化钛作为在高K金属氧化物绝缘层中的电极导电膜。该工艺将用于生产手机和家电中使用的器件，可减少漏电流，降低器件功耗。
“侧重存储器”的IMEC阵营
IMEC阵营的特点是除通用的逻辑器件外，侧重于开发32纳米存储器工艺。
位于比利时的IMEC阵营由十个核心伙伴组成，他们是: NXP（原飞利浦半导体）、德州仪器、英特尔、意法半导体、英飞凌（原西门子半导体）、奇梦达（Qimonda由英飞凌分拆出，专门生产存储器）、三星、松下、美光和我国台湾的台积电。此外还有几个重要伙伴（日本Elpida、韩国Hynix与中国台湾力晶）。
2008年1月IMEC阵营公布了栅堆叠32纳米技术。它们采用铪基高介电绝缘介质及TaC碳化钽金属栅极，显著提高了平面CMOS的性能。通过在栅绝缘介质及金属栅极之间增加一薄层带隙层电介质，实现了较低的阈值电压。它们为pMOS和nMOS分别制造绝缘介质上的带隙层和金属电极层，通过追加离子氮化时的掩膜工序, 将制作pMOS栅极和nMOS栅极的工艺区别开来。其nMOS中的带隙层可以是La2O3或Dy2O3。具体方法是，在Dy2O3层的上部设计TaCx碳化钽电极。通过离子氮化，使TaCx变成功函数较大的离子氮化碳化钽TaCxNy。未采用Dy2O3带隙层时，碳化钽TaCx和离子氮化碳化钽TaCxNy的功函数分别为4.4和4.8eV，增加带隙层之后，功函数则接近4.2和4.9eV。此外，栅堆叠层的激光退火工艺明显降低了极限栅长度，增强了对短沟道效应的控制。相同的工艺可望应用于22纳米的Fin场效应晶体管中。
2008年6月IMEC宣布，他们的32纳米先制栅极和后制栅极工艺都获得了成功。特别是采用先制栅极技术、软掩模技术和湿清洗液，通过将双金属、双电介质绝缘层改变成单金属、双电介质绝缘层的平面CMOS工艺，将工序数目由15个减少到9个。再加上传统的应力增强技术，使得nMOS和pMOS晶体管的性能分别提高了16%和11%。结果使逆变器的迟延时间由15ps缩短至10ps。由此，除提高器件性能外，还可降低批量生产的成本。
22纳米曙光初现
IBM阵营的22纳米工艺对传统芯片工艺并不做大的变动。这不仅降低了技术难度，而且可大幅度减少生产成本。
由于IBM阵营集中了全球主要半导体公司，通过合作在22纳米工艺开发上进展迅速。2008年8月他们在全球首先了在美国Albany纳米技术研究室试制成功的22纳米的SRAM芯片。其工艺技术有以下七个特点: （1）高介电率栅极绝缘层/金属栅极: （2）栅极长度小于25纳米的晶体管; （3）薄隔离层; （4）新的离子注入方式; （5）尖端退火技术; （6）超薄硅化物; （7）镶嵌Cu触头。该芯片光刻采用了高数值孔径（high- NA）的液浸光刻技术。
要特别指出的是，与32纳米工艺一样，IBM阵营的22纳米工艺对传统芯片工艺并不做大的变动。这不仅降低了技术难度，而且可大幅度降低生产成本。在此基础上，底气十足的IBM阵营最近宣布，其在22纳米工艺上已领先于英特尔公司。
有关专家指出，制约芯片微细工艺进展的难点主要是光刻技术。新一代光刻在技术上要求高，制造设备的成本极高，绝大多数公司无力单独承担。而IBM公司的22纳米工艺，主要是在光刻上有重大突破。其使用了Mentor Graphics公司计算缩微光刻技术，利用现有的缩微光刻工具并通过大量的并行计算来生产，只要将目前的设备加以改进，便可完成22纳米芯片的光刻工作。计算缩微光刻是一种新的技术思路和尝试，其核心是利用软件对整个工艺设计进行优化。
笔者认为，在此全球金融危机之刻，IBM等公司在基本采用传统芯片工艺基础上开发新一代尖端工艺和技术的思路值得大力提倡。特别是在硬件上暂时无法实现时，充分发挥软件技术的优势，软硬结合开拓新的发展途径。IBM等公司的实践说明，通过强强联手、软硬结合，充分发掘现有设备和技术的潜力，可攻克技术难关，这是当前形势下先进技术开发的一条值得推荐的途径。
链接
制程工艺的进步
推动处理器的升级
英文名称：Chinese Journal of Semiconductors
主管单位：中国科学院
主办单位：中国科学院半导体研究所;中国电子学会
出版周期：月刊
出版地址：北京市
语
种：双语
开
本：大16开
国际刊号：0253-4177
国内刊号：11-1870/TN
邮发代号：2-184
发行范围：
创刊时间：2010
期刊收录：
CA 化学文摘(美)(2009)
SA 科学文摘(英)(2009)
CBST 科学技术文献速报(日)(2009)
Pж(AJ) 文摘杂志(俄)(2009)
EI 工程索引(美)(2009)
中国科学引文数据库(CSCD―2008)
核心期刊：
中文核心期刊(2008)
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中文核心期刊(1992)
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在全球金融／经济风暴的袭击下，世界半导体业2008、2009连续两年陷入困境，出现负增长，2010年触底强劲反弹。WSTS(世界半导体贸易统计协会)去年秋季曾预测，当年市场将大幅增长31.7％，市场突破3000亿美元大关，达3004亿美元，是十年来增长最快的一年。可是，冷暖相依，大多市调公司对2011年市场并不看好，预期增长率仅能在5％上下，徘徊于个位数的低端。预测不过是预测而已
最近WSTS发表了今年1月份的数据统计，世界半导体的销售额达240亿美元，同比劲增16％，而环比(比上年12月)仅下降4.5％，是自1999年以来12年中下降最少的一年(据统计，1999～2010年间每年1月的平均环比负增长率达20％)。
依据上述数据，市场调研公司Ic Insights将历年的详细数据加以推算，再加上最近如美国失业率减少、新兴经济国家需求殷切等的经济积极因素，该公司对今年世界半导体市场前景表示乐观，认为可增长10％左右。
无独有偶，VLSI公司在3月份竞两次上调今年世界半导体市场的增长率，尤其引人瞩目。该公司不久前曾表示，去年世界半导体市场增长了30.9％，预测今年将增长8.1％，达2687亿美元，虽然承认今年市场确有许多不确定因素，但鉴于首季度的市场运行情况，于3月2日将今年的增长率上调至8.9％，达2707亿美元。等到3月30日，一季度的半导体市场表现红火好于预期，今年快速提高了11.6％，销量也从11％提高到14％，因此一季度为全年发展构建了良好基础。于是，VLSI公司便再次将今年世界半导体市场的增长率上调到12.2％，并认为即使有石油涨价、通货膨胀、日本地震等种种不利因素，未来几个季度运行速度可能会趋缓，但至少可保持两位数的增长率。
Ic Insights公司预测，今年热销的半寻体产品有数据转换电路、汽车专用模拟电路和MPU等，日前又特别提到了。-O-D(光电器件一传感器／传动器一分立器件)市场，3类产品总销售额将比去年上扬10.2％，达583亿美元，其中光电器件增长儿％，达2.64亿美元；传感器／传动器增长15％，达85亿美元；分立器件增长8％，达234亿美兀。
由于日本3，儿地震曾导致lS座晶圆厂生产中断，对半导体业造成不良影响，Ic Insights公司最近又出版了一份相关报告。据其统汁，世界半导体制造产能中有63％位于地震活动带，晶圆代工产能更超过90％，尤其是位于中国台湾地区的世界两大顶级晶圆代工厂
台积电和联电，一旦遭遇地震或飓风灾害，则将对整体电子产业供应链造成巨大冲击(见表1)。
450mm晶圆即将上马
自1980年半导体业界采用100ram晶圆进行生产，大约每s年前进一代，1985年采用150mm生产；1990年采用200mm生产：1995年采用300mm~产。可自300mm以来已超过15年还未走向450mm新一代晶圆，时间可谓长矣，近年虽议论不少，可始终未见具体计划。
究其原因，主要是缺少突破型新产品需求的驱动力，据说300mm晶圆线的巨额投资，厂商还没全部收回，因而缺少投资新一代工艺的经济实力。另外，开发新一代技术已不像以往各代的工艺主要是重复，而是要求制造设备厂商具有综合开发能力，包括工艺开发、材料准备、软件编写、工厂自动化等，庞大的资金和专业知识均非易事。当前，即使像应用材料和东京电子这样世界最大的设备制造公司在资源方面也难于独立完成这样的开发。
2008年5月、Intel、三星和台积电共同发表实施4S0mm生产线的声明时，业界一时震动。可其后适，遇经济风暴，市场陷入低迷，计划亮起红灯。直到不久前，人们才又见到促进派特别是Intel和台积电的动静，发表了较为具体的发展路线图。台积电计划2013～2014年完成试制生产线，2015～2016年实现量产，并计划2012年第三季度开始在450mm晶圆上采用20nmI艺技术进行生产。Intel公司2月宣布，即将投资50亿美元以上，在亚利桑那州建立42号工厂，采用14nm以下工艺，2013年建成，据称将是世界上最先进的工厂。
台积电4月5日在美国圣荷塞举行的技术论坛上，详细透露了公司的450mm晶圆生产计划。台积电将全力向4S0mm时代挺进，目的之一是降低成本，其二是争取比竞争对手抢先一步。450mm生产线约需投资100亿美元，其中设备费尤为高昂，但其生产率可比300mm生产线提高1，8倍，且可减少工厂数量，避免面临寻找大量优秀工程技术人员的难题，未来lO年将减少人员需求7000人。据悉，台积电将首先在新竹第12号工厂建立试制线，预计2013~2014年投入运行，然后转入台中第1s号工厂进行量产，计划2015～2016年完成。初时采用20nm工艺，未来将转向14nm工艺。
摩尔定律何时到头?
在半导体业界一向奉为圭臬的摩尔定律到头之论早已有之，iSuppli公司2009年便声称摩尔定律即将于2014年失效，曾引起热烈议论。被誉为台湾集成电路之父的台积电董事长张忠谋于今年4月下旬出席“全球科技高峰论坛”时又表示，摩尔定律大约再过6～8年将走到极限。他说，摩尔定律以往平均每两年进入新的一代，未来IC的微细化发展空间已不大、倒是电路板方面还有发展空间，未来势必要往新的应用发展，如低功耗等。
微细化技术发展的困难日益增大，速度趋缓，从2003年的90nm工艺、2005年的65nm工艺、2007年的45nm工艺到2009年32nm，都是两年一代。跨入2010年以后工艺革新的间隔时间将延长，预计将从2011～2012年的22nm、2014～2015年1snm到2017～2018年llnm，将放慢到2，5～3年一代。
今天的半导体业除了继续走传统微细化道路的所谓“More Moore(更摩尔)”方式之外，业界还提出了有别于此的所谓“More than Moore(超摩尔)”的发展道路。它包括通过3D方式提高集成度，以及将模拟电路、功率器件、传感器、生物芯片、无源元件等集成在一个封装里，称为SIP(System In a Package)。另外，“Beyond CMOS(后CMOS)”也是业者提出的另一方式，即利用与现有MOS晶体管不同原理进行工作的新器件，包括将原子、量子、光、自旋电子等用作芯片布线等技术，并将成为本世纪20年代的基础技术。
总之，未来集成电路必将走上多样化的发展道路，“More than Moore”和“Beyond CMOS”将成“MoreMoore”技术发展的原动力。此外，还有化合物半导体(Ge和III-V族半导体)材料的应用也值得注意，业界有“得材料者得天下”的说法。激荡的未来十年
无论如何，微细化的道路还将走下去，当前32nm工艺已成主流技术，今年世界主要半导体厂商如Intel、台积电、Global F、三星等公司即将跨入22nm新一代技术，但综观世界半导体业各生产公司，自130nm以下，共有6代生产工艺并存于世(图1)。预计明年22nm将成主流生产技术。
另外还有一种提法，认为微细化技术在NAND flash等的牵引下，不断采用新的手段，前进步伐还将加快，超过了ITRS(国际半导体技术发展路线图)的预测，今年1Xnm技术即将成事，9nm技术也已在实验室开发成功。若依ITRS路线图，2024年将进入5nm时代，届时每平方厘米尺寸的芯片上，集成的晶体管数将超过250亿个。当然，它必须经过革新原有技术，应用新的半导体材料。
总之，世界半导体业将在这新的十年里闪展腾挪，争时立新，人们必须清醒地认识到这一点，方能不失时机地择机而进。2011～2012年22nm工艺付诸量产时，现有的MOS晶体管结构和材料尚可维持，可到2014～201s年15nm时代以后，就必须要开发提高产品性能的新技术了。
