无可否认@@，不论是半导体@@技术@@还是其产业本身@@，都已经成为所有市场中最大的@@产业之一@@。全球媒体@@、企业和@@政府也纷纷把目光投向了@@半导体@@工厂的@@下一个建设地@@。而每一次的@@技术@@革新都会进一步增加对智能设备@@的@@需求@@，半导体@@芯片的@@重要性也随之变得愈加突显@@。
然而@@，人们对半导体@@的@@变迁史和@@崛起却未必同样熟悉@@。从@@家用电器到智能手机@@，半导体@@是驱动电子@@设备@@不可或@@缺的@@@@188足彩外围@@app 。本期文章就来追溯一下这一核心@@188足彩外围@@app 的@@起源@@，了@@解一下它是如何成为我们日常生活的@@重要组成部分的@@@@。
以下六篇文章将详细介绍半导体@@的@@特征及工艺@@：“计算机@@与晶体管@@（Computers and Transistors）”、“工艺与氧化@@（Process and Oxidation）”、“光刻@@（Photolithography）”、“蚀刻@@（Etching）”、“沉积@@（Deposition）”和@@“金属布线@@（Metal Wiring）”。这些文章着重于说明技术@@之间的@@相关性@@。
人类的@@欲望@@: 计算机@@的@@诞生@@
从@@家庭到职场@@，人类一直在探索可以将各种场景中的@@日常活动简单化的@@方案@@。这也让技术@@设备@@的@@不断升级成了@@创新思想家们@@（Innovative thinker）一直关注的@@焦点@@。人类的@@这种欲望促使只能做简单运算的@@机器不断升级为更实用@@、更精密的@@设备@@@@。
从@@古至今@@，人类从@@未停止过发明机器的@@脚步@@。1871年@@查尔斯@@@@·巴贝奇@@（Charles Babbage）的@@分析机@@（Analytical Engine）就是最具代表性的@@实验创举@@。只要在分析机@@（Analytical Engine）插入名为穿孔卡片@@（Punched card/Punch card）的@@输入信息载体@@，就可以进行任何数学运算@@：分析机读取穿孔卡片的@@指令@@后@@，反复进行各种数学运算@@，最后在机器的@@另一头输出其结果值@@。就跟红白机@@（Famicom）的@@运作原理一样@@，想玩什么游戏@@，就插什么游戏卡@@。
虽然分析机没有最终完成@@，却给我们带来了@@启发@@。分析机具备@@了@@现代计算机@@的@@所有设计思想@@：穿孔卡片和@@输出设备@@相当于现在的@@存储器@@。所以说分析机就是@@CPU*的@@雏形@@。
查尔斯@@·巴贝奇@@（Charles Babbage）设计的@@分析机@@是用蒸汽作为动力源的@@@@。简言之@@，就是一台用金属和@@木材制作存储器和@@@@CPU，并用蒸汽机驱动的@@计算机@@@@。可见@@，从@@那时起@@，人们已经开始形成有关计算机@@运作原理的@@初步思想了@@@@，但没有把计算机@@与@@“电路@@”挂钩@@。那么@@，就让我们来看看电路@@是如何成为现代计算机@@核心@@188足彩外围@@app 的@@吧@@。当时@@，分析机的@@出现并没有带来石破天惊的@@震撼@@，也没有被广泛接受@@，但如今@@，以电路@@为核心的@@计算机@@却完全颠覆了@@世界@@。
*CPU：全称为@@(Central Processing Unit)，中央处理器@@，相当于计算机@@的@@大脑@@。
电控计算机@@@@
以电路@@为基础的@@设备@@@@，比蒸汽@@、人力和@@水力驱动更先进@@。因为它可以更快@@、更高效地控制信号@@@@。以蒸汽驱动为例@@，蒸汽必须要达到一定水平才可以运转机器@@，除了@@反应速度慢之外@@，高压输送更需要使用@@厚实的@@输送管@@，大大降低了@@功效@@。为了@@更形象地说明@@，假设我们要让一扇门的@@开关受粗绳@@拉动的@@控制@@：以蒸汽为动力源的@@话@@，我们需要拉动绳索以打开锅炉阀门并驱动蒸汽@@，随后更要等上一段时间@@，待蒸汽到达能推开门的@@压力强度@@；然而@@，如果以电力为动力@@，只需一个按钮和@@发动机就够了@@@@，机器的@@体积变小了@@@@，还能大大提高@@功效和@@反应速度@@。
图@@1. 蒸汽驱动自动门@@（左@@）& 电驱动自动门@@（右@@）
电的@@发现让人类用电控制计算机@@的@@想法开始萌生@@，并成为了@@当时@@的@@一大主流思想@@。很多科学家开始尝试用电力来驱动计算机@@@@，其中电子@@数字积分计算机@@@@@@（ENIAC，Electronic Numerical Integrator and Computer）就是这种尝试的@@一大成果@@。与用齿轮和@@蒸汽动力来驱动的@@分析机@@不同@@，ENIAC采用@@了@@真空电子@@管@@@@和@@各种电路@@来驱动计算机@@@@。从@@“真空电子@@管@@”这一名称就不难看出@@，ENIAC的@@动力源正是电力@@。
图@@2. 电子@@数字积分计算机@@@@（ENIAC） （摘自@@点击查看原文@@）
ENIAC的@@体积庞大@@，足以占据一个房间的@@面积@@。如此巨型的@@计算机@@@@，耗电量也达到了@@@@170kW，与同时使用@@@@170台微波炉@@的@@耗电量相当@@。当然@@，不愧于其庞大的@@体积和@@耗电量@@，ENIAC解决了@@当时@@的@@不少问题@@。相比咯吱作响@@“慢悠悠@@”运作的@@齿轮@@，采用@@17万根真空电子@@管@@的@@@@ENIAC也有着算是@@“破天荒@@”的@@运算速度@@。另外@@，ENIAC为氢弹的@@发明和@@仿真方法学@@ （Simulation Methodology）的@@创立也做出了@@不可磨灭的@@贡献@@。
然而@@，众所周知@@，ENIAC的@@性能其实还赶不上@@20世纪@@90年@@代的@@手提电脑@@。为了@@驱动一台低性能的@@电子@@计算机@@@@，功耗竟等同于同时运作@@170台微波炉@@，简直难以置信@@。而且@@，如此庞大的@@身躯@@，谈何普及@@？退一万步说@@，就是把@@ENIAC的@@体积缩小到其十分之一@@，也无济于事@@。毋庸置疑@@，相比上一代的@@蒸汽驱动设备@@@@，ENIAC在性能方面的@@确进步了@@不少@@。但想将其普及到@@“人手一台@@”，在体积和@@效率方面还有很长一段路要走@@。显然@@，ENIAC无法为人类创造其预想中的@@未来@@。世界呼唤进一步的@@创新@@，晶体管应运而生@@。
晶体管的@@问世@@
上文说道@@ENIAC采用@@了@@真空电子@@管@@@@，那这些电子@@@@188足彩外围@@app 的@@作用是什么呢@@？当时@@，人们已经明白只要能控制信号@@就可以制成运算机器@@。上文谈到的@@蒸汽自动门案例就是最好的@@证明@@：用粗绳@@@@（工具@@）控制蒸汽@@（信号@@），并设置了@@@@“只要拉绳就开门@@”的@@指令@@。电驱动自动门@@作为蒸汽驱动的@@升级版@@，其运作原理也是一样@@，利用开关来控制流入引擎的@@电流@@，以此来完成对门的@@操作@@。
归根到底@@，其实计算机@@就是在蒸汽自动门的@@基础上@@@@，增加了@@大量的@@输入和@@输出@@，然后在其内部安装数千个输送管@@，连接形成各种复杂的@@逻辑结构@@。蒸汽自动门只有开门和@@关门的@@作用@@，但试想一下@@，在此基础上@@，还可以进一步延伸@@，比如用一根粗绳@@同时开两扇门@@，或@@设计一款人站在门口时不会关闭的@@安全门等@@。以此类推@@，计算机@@就是在蒸汽自动门的@@基础上@@，不断叠加升级的@@功能@@@@。“粗绳@@”和@@“蒸汽输送管@@”就相当于真空电子@@管@@@@。
图@@3. 一个简单操作就可以同时打开几扇门的@@蒸汽驱动自动门@@@@ & 经两人同意才可以打开的@@自动门@@
如果想进一步升级@@“蒸汽计算机@@@@”的@@功能@@，改善整体性能@@，该怎么办@@？我们可以增加蒸汽管数量@@，形成更多的@@功能@@@@，或@@安装压力更大@@、温度更高的@@锅炉@@，提高@@反应速度等@@。原理虽说很简单@@，但现实操作起来却谈何容易@@？
蒸汽管本身就很大@@，即使@@只添加一条管道@@，增加的@@体积也相当可观@@；想提高@@锅炉的@@性能@@，不仅需要大量的@@能源@@，危险性也会大大增加@@。当时@@，真空电子@@管@@是人类找到的@@最好的@@替代方案@@。它由电力驱动@@，没有像高压锅炉爆炸那样的@@危险@@，且运作速度也达到了@@每秒数十次@@。当然@@，真空电子@@管@@的@@缺点就是庞大的@@耗电量@@，因此个别真空电子@@管@@会经常损坏@@。为了@@制造更好的@@计算机@@@@，就要寻找比真空电子@@管@@更胜一筹的@@@@188足彩外围@@app 。
1947年@@，晶体管诞生了@@@@。晶体管可以用微小的@@电量控制大量电流的@@流动@@，可谓是颠覆性的@@创造@@。科学家发现@@，只要使用@@以下两种半导体@@@@188足彩外围@@app ，就可以轻而易举地连接或@@断开信号@@@@（参见下图@@@@）。尽管其结构有些复杂@@，但原理却跟用粗绳@@@@控制蒸汽@@输送的@@道理一样@@。在晶体管诞生的@@那一年@@@@，人类发明了@@一款名叫@@ BJT*的@@产品@@，一直沿用至今@@。当然@@，晶体管的@@问世@@，也让半导体@@这一材料开始映入人们的@@眼帘@@。
*BJT：双极结型晶体管@@（Bipolar Junction Transistor），即通过一定的@@工艺将半导体@@内的@@@@P型半导体@@和@@@@N型半导体@@结合@@在一起@@（PN结合@@）制成的@@晶体管@@。
图@@4. 晶体管的@@结构@@：使用@@N型和@@@@P型两种半导体@@@@。（右@@图@@摘自@@了@@解半导体@@制造技术@@的@@图@@表@@）
所有人的@@半导体@@@@：MOSFET的@@创新与制造技术@@@@
1959年@@，贝尔研究所的@@研究员默罕默德@@·阿塔拉@@（Mohamed M. Atalla）博士和@@姜大元@@（Dawon Kahang）博士共同发明了@@一种金属氧化物半导体@@场效应晶体管@@（MOSFET，Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor）。两人在硅晶圆上形成了@@两种半导体@@层@@，并在此之上堆叠金属制成了@@平面型的@@晶体管@@。MOSFET的@@运作原理与上一代晶体管虽有些不同@@，但使用@@方法却大同小异@@，其最大亮点就是生产率@@。
图@@5. 姜大元博士的@@金属氧化物半导体@@场效应晶体管@@（MOSFET）模型结构@@（摘自@@（株@@）图@@书出版@@HANOL出版社@@）
得益于@@MOSFET的@@平面式结构@@，我们可以在硅晶圆上同时制造出好几个@@MOSFET。这意味着@@，只要把单个@@MOSFET的@@大小控制好@@，在相同面积的@@晶圆上可以多制作数十倍的@@晶体管@@，还可以直接把单个的@@@@MOSFET连接在一起@@。假设采用@@@@BJT晶体管制作@@CPU，即使@@BJT的@@制作过程@@再高效@@，想把数亿根@@BJT连接成@@CPU，仍然需要重复焊接以及将其固定在基板上的@@过程@@。相反@@，MOSFET可以一次性达到数亿根晶体管结合@@好的@@状态@@。正因为如此@@，“在硅晶圆上形成的@@@@MOSFET集合@@”在物理学上被@@“剥夺@@”了@@“半导体@@”的@@头衔@@。
接下来@@，我们将一探@@MOSFET的@@制作过程@@。我们常说@@，建造一个半导体@@工厂需要投数万亿@@（韩元@@）。出乎意料的@@是@@，如此的@@高投入其实就是为了@@以低成本生产@@MOSFET。那么@@半导体@@工厂是如何采用@@曝光@@（Exposure）、蚀刻@@（Etching）、沉积@@（Deposition）等半导体@@领域最常见的@@工艺来制作@@“廉价@@”的@@MOSFET的@@呢@@？让我们来一探究竟吧@@！
通过本篇文章我希望读者们能分清技术@@研发的@@目的@@与工具@@@@：科学家的@@目的@@是发明计算机@@@@，可以传递信号@@的@@电流是工具@@@@。MOSFET是目前以电力为基础的@@最顶级的@@@@“工具@@”，这是因为其制造工艺可以实现晶体管的@@量产@@。希望读者们能在接下来@@的@@内容中@@，想一想半导体@@的@@制造技术@@是如何降低半导体@@成本@@，进而为计算机@@与智能手机的@@普及奠定基础的@@@@。
※ 本文为外部专家对半导体@@@@/ICT的@@见解@@，并不代表@@SK海力士的@@立场@@。