因为摩尔定律的声名在外,加上过去这些年包括三星、台积电、Intel 和英伟达等公司的推动,科技界甚至终端消费者都对 28nm、10nm、7nm 和 5nm 等先进工艺制程有了或多或少的了解。因为这些工艺推动的产品是科技设备“大脑”的重要构成,这些先进工艺受到行业的一致关注是无可厚非。

 

其实在芯片的世界里,不仅有这些广为人知的先进工艺制程(或者说逻辑制程),还有其他不少鲜为人知但又同样重要的工艺技术。而且从某个角度看,正是因为有了这些特种工艺制程的补充,才能制造出多种多样的芯片,让整个科技世界变得丰富多彩。特种工艺就是其中最特殊的一个。

 

什么是特种工艺?

关于什么是特种工艺,无论在互联网还是在百科全书中,都找不到一个官方定义。工程师们也能给出一百种不同的答案。而根据一位从事特种工艺多年的专家介绍,那些在行业上没有统一的制程规则或构架可遵循的主流制程工艺,或者拥有不同于硅的工艺,我们都可以称之为特种工艺。

 

他举例说到,包括 CPU、GPU 和存储芯片在内的逻辑芯片,其本质都是对 0 和 1 的逻辑处理,核心是通过多个晶体管实现。为此,如何在摩尔定律的指导下,于单位面积晶圆上集成更多的晶体管,就成为了生产这些芯片的的晶圆厂追逐的目标。换而言之,这些晶圆厂为了实现其目标,他们所选择的路线也非常相似,差别就在于他们如何在同样的规则和衡量标准下,将相关的数字改善。如下图所示,我们很容易地从各个不同的参数,去衡量这些工艺的水平。

 

 

但是,特种工艺所面对的不是成千上万个简单的做 0 和 1 逻辑处理的开关晶体管,而是一个完全不同的世界。我们常见的包括 PA(功放)、Filter(滤波器)在内的射频器件、MEMS(微机电系统)器件和光电器件,面对的都不是非 0 即 1 这个简单逻辑的物理参数世界,它们就是用所谓的特种工艺来制造的。在这些工艺中,很多逻辑工艺制程所遵循的规则,在这里就不适用了。

 

以一个 RF SOI 射频器件开发为例,其射频特性不仅仅取决于器件本身,而取决于其外围匹配和封装后的整体系统表现,首先需要经过系统设计、工艺分析、电路和版图设计、流片加工和裸片评估等过程,之后再结合封装分析、封装设计和封装开模,打造出一个封装好的芯片,然后再经过封装后筛选测试、性能及可靠性验证,才能最终送样及设计定型。

 

来到 RF-SOI,这是一个始于生产一种特殊高电阻率基板的技术。在衬底中,晶圆与掩埋氧化物层之间夹有 trap-rich 层。trap-rich 层可以恢复衬底中的高电阻率属性,从而降低插入损耗并提高系统的线性度。与 GaAS 等工艺相比,RF-SOI 拥有低功耗和易于集成等优势,但在击穿电压方面还面临着挑战。为此,如何提升其击穿电压,以实现更好的线性度和大信号处理能力,就成为开发者要面对的首要问题,也体现不同 RF-SOI 工艺供应商的价值。

 

同样,特种工艺需要在与先进逻辑制程不同的某一专注领域的长期经验和技术积累,对供应商有更多的考量。以 MEMS 器件为例,在 MEMS 制造中,工艺尺寸缩小与流程复用很多时候并不适用,因为其是非标准化的,在加上现在 MEMS 芯片会与 ASIC 封装到一起,这就给相关开发者提出了更大的难题。

 

这也是为什么有些专家说,即使看着别人做,也不知道别人为何能做好某些特种工艺芯片的原因。

 

特种工艺为何重要?

世界不只是零和一,世界是多样的,是曲线的,是“模拟的”。如果说大多数逻辑工艺生产的芯片是解决数字世界的 0 和 1 数据处理问题,那么大多数特种工艺生产的芯片都是为了把模拟的数据转换为数字世界的数据。例如今年年初,因为 Covid-19 爆发而带动的额温枪需求,背后所需的热电堆传感器,就是特种工艺的“结晶”。以管窥豹,我们就可以洞悉这些工艺为何如此重要。

 

从市场现状看来,近年来,随着 5G 的到来和物联网的繁荣,市场对射频前端和传感器等使用特种工艺制造的芯片有了更广泛的需求。

 

在射频前端方面,根据法国 Yole Development 报告预测,移动设备以及 WiFi 连接部分整体射频前端市场规模将从 2017 年的 150 亿美元增长到 2023 年的 350 亿美元,年复合增长率达到 14%。其中占射频前端市场最大份额的滤波器从 2017-2023 年将增长 3 倍左右,复合增长率达到 19%;在 MEMS 传感器领域,Yole 数据显示,这个市场的规模将从 2019 年的 169.6 亿美元增长到 2024 年的 185.1 亿美元。

 

以上仅为特种工艺芯片的冰山一角,规模就已经这样巨大,整个市场的规模可想而知。近期,美国加强了对特种工艺工厂 SkyWater 的支持,特种工艺的重要性不言而喻。

 

SkyWater 是一家位于明尼苏达州的半导体代工厂。与台积电和三星这些在先进工艺上竞争的代工厂不一样,SkyWater 目前最先进的工艺仅为 90nm,这主要是因为他们从事的并不是传统的 CMOS 工艺。该公司的业务主要分两块,一部分是抗辐射工艺和相关 IP;另一部分是下一代先进半导体工艺的研究,如碳纳米管和超导集成电路。

 

在美国国防部高级研究计划局(DARPA)高达 15 亿美元的“电子复兴计划”(ERI)中,SkyWater 在碳纳米管研究方面扮演了重要角色。麻省理工学院(MIT)教授 Max Shulaker 最近发表在《自然·电子学》的一篇探索集成电路未来发展的论文的主要内容是,SkyWater 在碳纳米管工艺上首次实现了在大规模碳纳米管晶圆上的大规模加工加速,可以将原来需要几天的工艺缩短到半小时以内,从而大大降低了碳纳米管门槛。由这个例子也可以看到特种工艺制程的重要意义。

 

大陆特种工艺如何突围?

细看现在的特种工艺 IDM 或者工厂,做得最好的在中国台湾和美国、以色列等地。例如在砷化镓代工方面,中国台湾的稳懋和宏捷科领先全球;在 RF-SOI 代工方面,以色列的 TowerJazz 优势明显;再加上来自美国和欧洲有如 Qorvo、Skyworks 和博世等一批精于特种工艺的 IDM。从这些企业的市场表现,我们可以看到行业领头羊在特种工艺上的巨大优势。

 

反观国内,过去基本是一片空白,但经历了近些年的发展,也有一些 IDM 和代工厂开始在这些领域发力。与集成电路很多领域一样,需要有持之以恒的投入和人才供应,才能保证本土特种工艺的稳健发展。

 

期待在不久的将来,我们能看到一批本土特种工艺企业迈上新台阶。