第一篇：先進半導體制程與材料選擇

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先進半導體製程與材料選擇

作者：宋健民／中國砂輪企業股份有限公司總經理 日期：2008/12/10 來源：半導體科技

人類的物質文明可以說是建立在「材料科技」上，從史前的石器時代，到發明文字後的鐵器時代，或從近代的塑膠時代，到現在的矽晶時代，都是材料科技的里程碑，而物質文明的巔峰極緻將為「鑽石時代」...工欲善其事，必先利其器，鑽石，在現今環境裡，不再只是首飾，在工業應用可是極為重要的礦材，在一般工業用途最常見用於切割，為了在車床上做良好的切削，車刀本身也應具備足夠的強度、硬度、而且耐磨、耐熱。其中尤以鑽石刀具，常用於高級表面加工時，使用圓形或表面有刃緣的工業用鑽石來進行光製，得到更為光滑的表面。

鑽石時代

鑽石不僅質地堅硬，也早已成工業製造中不可或缺的超級磨料(每年使用1,000公噸)，它同時也是特性最優越的半導體！鑽石性能遠超過現在的主流矽晶。「鑽石」更已用在矽晶半導體的生產上(如臺灣領先世界的鑽石碟)。此外，鑽石可成為矽晶積體電路(IC)最好的絕緣體及CPU最快的散熱面，有如下述。

摩爾定律

人類科技進步最快速的產品，即為積體電路(Integrated Circuit或IC)。1965年Intel的共同創始人Gordon Moore，曾大膽預言電腦CPU上的電晶體數目會以倍數成長，這個所謂的摩爾定律(Moore’s Law)，迄今仍以每18個月成長1倍的高速持續挺進。由於電晶體的倍數成長已超過40年，2007年Intel推出的Penryn4核心晶片上竟有高達8億2,000萬個電晶體。

圖一：摩爾定律使IC內電路的線寬急速變窄，而其厚薄的差異更只有線寬的1/10，這種設計規格，使製程的困難度大幅提高，因此IC電路極小時，電流信號(Signal)與亂流雜訊(Noise)就難以區分。

nm IC 由於電晶體越來越多，它的尺寸越來越小，而聯結電晶體的電路(Interconnect)也越來越密。上述的Penryn晶片線寬已小至45 nm，相當於較小的濾過性病毒(Virus)。可以這麼形容，Penryn是藥片大小的晶片，其上密佈接近中國人口總數，但比病菌小10倍的電路開關。

2007年，只有Intel及臺積電(TSMC)有能力量產45nm的IC。但全球的其他主要半導體大戶，都加入IBM聯盟(Consortium)合作發展45nm的IC製程，預計在今年許多聯盟成員將陸續導入量產45nm的IC。

圖二：2007年Intel推出以High K Metal Gate的Penryn晶片(45nm)。

半導體的三國演義

值得注意的是，IBM不僅將移轉45nm的技術給晶圓代工的韓國三星(Samsung)及新加坡特許(Chartered Semiconductor)，更將技術賣給了中國的中芯。

中芯已開始規劃在深圳成立研發中心，及建設8吋和12吋兩座晶圓廠，準備接收IBM領先世界的技術。中芯本身也開始在12吋晶圓上生產65nm的IC。臺積電及聯電雖是晶圓代工的龍頭，但面對IBM的技術輸出，將會被北、中、南的低價製造者聯合夾殺。Intel早看出國際無力封殺中芯，因此就進行「以華制華」，它正緊鑼密鼓在大連建立12吋晶圓廠，將在2010年量產90nm的IC。可嘆的是臺灣目前仍只準8吋晶圓帶180nm的技術登陸，以原始的武器和先進的對手「境外交戰」。

中國已成為世界最大的晶片市場，2010年中芯規模將超越聯電，其製造成本會低於臺積電。臺灣晶圓代工主導世界的時代可能結束。臺積電應和聯電聯盟或合併，組成「臺聯」對抗中、韓、新的3面包抄。臺積電更應和中芯停止互控，在法庭外合解，雙方甚至可討論如何分工生產，以華人晶片佔據中國市場。「臺聯中」可和Intel及IBM聯盟演出「三國演義」，這樣臺灣就可以持續主導未來的晶圓代工。

圖三：IBM聯盟展示HKMG所製32nm IC的晶圓。圖中的聯盟成員代表包括IBM、Freescale、AMD、Samsung、Chartered Semiconductor、Infineon等公司。

High K Metal Gate

世界晶圓大戰的下一個關鍵，乃是發展32nm的製程技術。當電晶體的Gate Gap進入這個「次病毒」的領域時，其電極(多晶矽)的電阻太大，而且電流不穩，必須改用金屬(Metal Gate)。更有甚者，絕緣層(二氧化矽)變得太薄(＜1nm)，只有不到10個原子的堆疊高度，這時電極的電子便會穿隧過去(Tunnel Through)，其結果為不僅造成漏電，而且使電晶體的開關信號難以辨認。

Intel為了解決這個漏電問題，在設計45nm IC時就把電極改用鉿合金(Hf Alloy)，而其絕緣層則改為鉿化物(HfO2或HfC)。由於鉿化物的誘電率(Dielectric Constant或K)比氧化矽高得多，這種介金屬層的厚度可以加倍(＞2nm)，因此避免了穿隧的漏電。Intel的HKMG(High K Metal Gate)已用在Penryn的晶片上，其設計將延伸至32nm線寬的電晶體IC。IBM已驗證HKMG可用在32nm的SRAM晶片上。臺積電雖成功的試製32nm的傳統IC，但尚未成功的開發HKMG。聯電仍未生產45nm製程，更惶論HKMG了。

圖四：電晶體漏電示意圖。

半導體的散熱

Intel雖以HKMG解決了穿隧的漏電問題，但卻有更多的電流，經矽晶本身漏掉。原來矽晶為半導體，並非絕緣層，當線寬細到45nm時，經矽流失的電流已高達1/3。為了阻絕漏電，法國的Soitec發展出氧化矽絕緣層墊在電晶體下。這種技術稱為絕緣底半導體(Semiconductor On Insulator或SOI)。

SOI已大量用在電晶體緊密的晶片上，例如NVIDIA的繪圖晶片、及Sony的遊戲晶卡都用SOI晶片。然而SOI解除漏電危機，卻惡化了另一個更大的問題，即目前半導體業束手無策的散熱瓶頸。晶片的生熱速度與熱源密度，已遠超過煮飯的電爐，所以用晶片煮蛋會比電爐快得多。過去摩爾定律除了加密電晶體外，也同時加速電晶體的開關速率。但當這個速率快到4 GHz時，電晶體就有燒毀之虞。Intel不能解決這個問題乃將單核心拆成雙核心。

Intel又將電晶體的時脈(Clock Speed)降下，再加大晶片把熱源分散。但這個轉進策略只是以空間換取時間，當線路的寬度更窄時，生熱的速率更快。Intel被迫只好將雙核心再拆成4核心，而8核心的產品也已經上路。這種多核心的設計無法將CPU的運算能力發揮盡致。臺灣已製成鑽銅散熱片，其熱傳導率可倍於現今散熱最快的銅散熱片。這種快速散熱片可避免晶片分成多核心而可組回單核心使用。

鑽石底半導體

SOI以氧化矽阻電，但氧化矽卻同時阻擋了熱流，所以晶片的時脈更難提升，為徹底解決這個難題，臺灣發明了鑽石底半導體(Semiconductor On diamond或SOD)。鑽石的熱傳導率(＞1,000 w/mk)比氧化矽高10倍以上。尤有進者，鑽石的晶格是所有材料中最穩定的。以SOD製造32nm的IC不僅可以降溫、加速，還可以避免背景輻射所引發的亂流(Noise)。32nm電晶體的電流信號極為微弱，因此矽晶內自發的雜訊(Noise)會干擾開關狀態判別，SOD新技術則可把雜訊降到最低。

IC內的熱源，除了電晶體的開關及漏電外，也來自銅導線內電流所生電磁波彼此的干擾(RC Delay)。為了隔絕電磁波，銅線乃以低誘電(Low K或LK)材料製成。LK材料內含大量氣孔，所以非常脆弱。當線寬縮小到32nm時，LK材料的氣孔率大於50%。這種脆弱材料不僅難以蝕刻，更不能在CMP時拋光。

此外，LK材料也容易吸附水氣，變得更易於變質。幸虧臺灣已發明先進鑽石碟(Advanced Diamond Disk或ADDTM)。CMP時ADD可以低接觸應力，快速拋光晶圓。LK材料也可使用鑽石和鐵氟龍的網路沈積生成，這樣不僅可以微影蝕刻，也不會吸附水氣。

全碳積體電路

電腦的中央處理單元(central Process Unit或CPU)，乃以矽晶製造電晶體(Transistor)，再以銅線連接(Interconnect)。電晶體的開關乃以High K Gate(如Hf化合物)控製，而線路之間則以Low K Dielectric(如含HF的SiC)絕緣。

碳是奇蹟的材料，它可形成導電率比銅高的單晶石墨層(Graphene)，石墨層可蝕刻成為奈米電路，層間可以奈米碳管導通。石墨和鑽石可以交互數層原子堆砌成超晶格(Supperlattice)。碳的超晶格具有極高的誘電(K)能力，但卻不會漏電，而且它可以在高電場下運作。這種未來材料可取代鉿化合物的High K Metal Gate。除此之外，碳可和氟形成鐵弗龍(Teflen)似的網狀結構，具有極低(K=2)的誘電力和極高的電阻，它可取代現行的Low K脆弱材質(如Black Diamond)。

上述的夢幻設計可組成全碳的電路，其性能將遠勝於現有的任何設計。全碳IC可延伸摩爾定律至線寬10nm以下。不僅如此，石墨及鑽石散熱速度超過銅的多倍。全碳CPU有內建的散熱系統，它可使電晶體的運作頻率遠高於4GHz。摩爾定律的CPU原來為單晶片，但因不能解決CPU散熱問題，於是拆成多核心，而靠加大面積避免熱源過度集中。

全碳CPU可使多核心重合成為單一晶片，讓摩爾定律回歸正統。

尤有進者，鑽石半導體比矽晶耐溫及抗壓，而且它的運算快速。鑽石的P型半導體可填入比矽晶更多的硼原子，而使電洞的濃度大增。鑽石的N型半導體可以鋰氮(LiN)滲透製成。鑽石半導體可和上述的全碳IC整合製成全碳CPU。由於鑽石是散熱極品，全碳CPU的體積會比矽晶小很多，但速度可高百倍。這種「神算機」可把人類的物質文明推上顛峰，進入永遠的鑽石時代。

臺灣的科技向來尾隨西方的先行國家，但全碳CPU的發展可以領先世界。臺灣政府若有遠見應該加速發展鑽石科技把缺乏資源的臺灣建設成為「鑽石島」。摩爾定律所面對的漏電、散熱、拋光等難題都可以臺灣的鑽石科技迎刃而解。

450mm大晶圓

晶圓生產的成本，受限於晶圓上的晶片多寡。臺灣雖已加碼投資300mm晶圓廠成為最密集的生產國家，但Intel、TSMC、Toshiba、Samsung已在規劃試製450mm(18吋)的晶圓，預計在2012年導入量產。但這麼大的晶圓其直徑比線寬大數千萬倍，加上線路的電流對線寬的敏感度大增，晶圓表面在CMP拋光時其平坦度比300mm要求更高，目前的CMP技術根本辦不到。

圖五：Intel的Mike Goldstein手持矽粉燒結的450mm晶圓，及未來晶圓表面可能密佈電晶體(電流開關)的示意。這種大晶圓與小線寬(22nm)的比率可超過千萬倍(107x)。一片晶圓上旳電晶體總數將超過全球人口總數的百倍。

幸虧臺灣推出ADD鑽石碟，可以把拋光墊表面修整得非常平坦但卻不溜滑，這樣就可把大晶圓快速拋光，而不傷及纖弱的銅導線路、與有氣孔的Low K絕緣及堅硬的High K Metal Gate。SST-AP/Taiwan

圖六：ADD的面相(左圖)，其尖錐乃以微米鑽石在超高壓(6GPa)及高溫(1400℃)燒結製成。這是臺灣產品壟斷全球獨一無二的設計。右圖為下一世代的IDD產品，它乃由氣相沈積的多晶鑽石構建而成，這也是臺灣的獨門絕活。

作者

宋健民，現為中國砂輪企業股份有限公司總經理，亦為鑽石科技專利發明人。在CMP的領域，作者亦為臺灣品牌DiaGrid鑽石碟及ADD鑽石碟的發明人，亦協助Applied Materials發展eCMP，現正協助韓國的SKC及臺灣的IVT研究次世代的CMP Pad。

第二篇：半導體激光疼痛治療儀檢測制程

半導體激光疼痛治療儀檢測制程

1、檢測激光功率

檢測設備：光功率表、電源供應器

檢測方法：把PCB接電流供應器正負極，調整電源電壓4.2V、注意正負極，切不可接反，按下開關，激光點亮。把激光器發光口貼到激光功率表授光面內讀其最大值，在1.15—1.35MW之間為OK,否則調整PCB上的VR使其達到指定功率。

2、電壓檢測

檢測設備：電源供應器、數字示波器

檢測方法：把電源供應器調到4.2V與PCB電池的正負極接通，按下開關，示波器調到電壓檔，用T探針接到彈簧的兩極測其電壓，旋轉撥動開關大小，其電壓在140V—160V之間為OK.3、充電IC檢測

檢測設備：電源供應器

檢測方法：把電源供應器調到4.2V,接通PCB的充電接口，按下開關，激光及電脈沖分別正常工作。OK

第三篇：質量管理---IQC與制程整改建議范文

針對協作部門對于本部門兩項投訴內容的改善意見和建議

2011年11月10日會后分析報告

報告人：顏 佳

針對協作部門對于本部門的兩項投訴內容，11月10日上午本部門召開了內部通告會議，方經理傳達了協作部門相關投訴內容，現場要求各生產車間QE工程師總結兩方面的原因并做出改善意見和建議。現針對IQC重復發生來料不良以及生產線制程控制環節薄弱這兩個投訴問題提出一些自己淺顯的意見和建議，希望能夠幫助部門內部的流程完善，一線品質人員的判定立場和原則得到提升。

首先，說一點題外話，但還是以質量管理的八項基本原則出發，強調過程和方法，一切變革，改善都需要由內而外。只有先解決了內部問題，才能夠著手去解決外部問題。否則將是事倍功半，達不到預期效果。正如“其身正，不令而行。其身不正，雖令不從。”道理都是很淺顯的。但是作為目前的質量管理部內部的隊伍建設和整個氛圍，都是各自為政，已經形成一個凡事先從外部找原因的思維定勢。

所以，這里需要強調的是人與人之間的溝通及觀念的提升，“天下事非一人之所能獨力，事事欲有所為，必與其類同心共濟”，搞好品質不是靠一個人或者幾個人就能把事情做得好，也需要一個分工協作的過程，各個部門不一樣，立場也就不一樣，看問題的角度自然也不一樣。所以這就對于質量管理人員來說，必須要具備接納和換位思考的能力，只有接納他，才能更好的改變他。

要解決這個問題，必須要統一認識，消除溝通失效，這就需要大量的培訓和團隊活動提升凝聚力和彼此的信任度。

其次，對于制程控制這一塊，IPQC專業技能方面，目前僅停留在初級階段，僅僅是對于產品比較熟悉，對于自身的職責不夠清晰。制程中缺失數據監控環節，IPQC在生產全過程，行使的只是基本的現場巡查，抽檢和不良判定三大基本職能。就判定這一方面，沒有相關標準文件提供支持，造成在線IPQC該判不判，甚至不敢判的情況出現。試想一下，作為生產一線的IPQC而言，只有建議權，而沒有行使權，所以我們無法要求他們主動去處理問題，解決問題。我們自然也就無法要求他們有很強的執行力。畢竟人員素質參差不齊。另外一點，我們是否有崗位說明書，是否有將該崗位的作業內容和職責告知該崗工作人員。

要解決這個問題，首先是標準化的建立，完善制程相關文件，以標準文件作為他們的作業支撐，提供給他們可以操作的準則做為依據，其次是充分放權，明確崗位權責，將相應的權利下放給相關崗位和人員，主管領導切實支持各方面工作并加以肯定，以激勵他們正確的，有原則性的做出判定和敢于做出判定的能力。其三才是適時的加強專業技能方面的培訓。否則我們的一線IPQC人員將變為使用工具的工具，操縱機器的機器，毫無價值可言。

另外，制程不在受控狀態的情況，在鄙人剛到車間四天的時間以內，發生了兩次，有作業指導書，而且作業指導書上面有相關工序要求，作業人員不按照作業指導書進行作業，現場IPQC不打單，不知會相關基層管理，只在現場對于作業人員進行糾正，而糾正之后仍不在受控狀態，IPQC無任何對策，不了了之。那我們還做什么質量？ 讓你在生產線玩了嗎？ 有問題也不管，也不知道外部溝通協作，這跟閉門造車有什么分別？ 作業指導書作為體系文件的一部分，我們將他視為他律，而在線人員的自律又體現在哪里？ 脫離了自律的他律，就等于是白紙一張。

所以說，還是要強調一個全員參與的過程，我們在做品質的過程當中，與其他部門之間的溝通協作是必不可少的，前面談的要先解決自身問題，但是在解決自身問題的過程當中，這種正常的溝通和協調是有必要的。而部門之間的配合程度，也在一定程度上決定了IPQC是否愿意反映問題。

要解決流程失控這個問題，不僅僅要對于生產全過程進行質量意識的灌輸和培訓，而更為重要的是人的自律問題。自律對于一線IPQC人員來說，是相當重要的。比如說，政府頒布的法律法規，你去觸犯了，你就必須受到相應的懲罰，而且你頒布的懲罰越重，老百姓的自律性就越高。

其三，IQC重復發生來料不良這個問題，就質量管理部而言，首先要理清思路，從源頭上著手，解決問題。建立健全供應商管理體系，從各個關鍵環節入手，對來料進行全面的掌控，只有將主動權掌握在自己部門手上，才能更高質量的保證生產用料的品質。

首先，在新產品研發階段，專案工程師確認用料涉及到采購的，應向供應商索要承認書，確認該物料可用后，簽字確認，并將承認書以及剩余的樣本，交到IQC封樣存檔。該供應商入選IQC合格供應商名錄。而由采購新開發供應商，樣品應交研發部審核驗證，再執行如上程序。

其次，新開發供應商，以降低獨家供應商供貨風險。保證每個元器件有2-3家合格供應商，可供挑選。這樣做的意義，可以從性能，價格，交期三方面進行比較，控制成本的同時不降低產品質量，與供方互利。

其三，將采購的一系列的采購活動，納入到供應商管理體系的管理當中來，采購活動發生的對象，必須為合格供應商名錄之內的合格供應商。否則，IQC對于非在冊的物料，有拒絕接收的權利。當然，對于特殊情況，必須作出讓步接收的，必須由IQC開具書面材料，說明原因，并請相關人員簽字確認，以便于追溯。

其四，在有條件的情況下，比如采購數量較大，盡量使用月結貨款的方式，以便于IQC對于物料質量的判定，更具備主動權。另外在供銷合同上，建議爭取品質管理部門審核的權利，并約定質量方面的要求，可以使用扣款，罰款等方式進行控制。

其五，對于在錄的合格供應商，在供貨三次以上，無質量問題的情況下，IQC部門可以適度放寬檢驗標準AQL值。而對于來料檢驗不良的供應商，應加嚴AQL值進行檢驗。同一供應商出現兩次來料檢驗不良，IQC對該供應商作刪除合格供應商名錄之處罰，并知會采購部門，不得繼續采購活動。如需再次加入，必須重新送檢，承認。

總之，作為IQC部門，必須充分掌控和健全合格供應商管理體系，使之成為一個閉環，方能更好的保證來料質量以及生產用料。但是，同時也就要求我們的IQC人員，有較強的專業技能和業務水平。整改和整頓的過程是漫長的，只有持續改進，就一定會有效果。當然，也需要內部和外部的各位同仁的大力支持。需要變革的推動者，堅定立場，獲得高層的支持，充分發揮領導的作用。以上，僅是本人的一些意見和建議，僅作為參考，如有不當之處，還請批評，指正。

第四篇：制程防呆結訓測試題與答案[范文模版]

制程防呆結訓測試題答案

部門：

姓名：

得分：

一、填空，每項5分，共25分

1、防錯法：又稱（愚巧法）、（防呆法）。是指沒有經驗的、做事馬虎的甚或愚笨的人來做,都不會出錯的方法。是指在（過程失誤發生）之前就加以防止。

2、防錯法、防呆法中，“錯”與“呆”的理解：(發生錯誤）、（效率低下）、(工作難度大）、（容易疲勞）。

3、主動防呆是指采用專門防呆機構，器具，儀器，軟件等工具或設計自動化來防止失誤產生，特點是（不依賴操作者的注意力）。被動防呆是指在機構，夾具等設計過程中，通過改善硬件的某些特性使人少犯錯誤以實現防呆的手法，特點是（依賴操作者的注意力）。

4、防錯法、防呆法的功用：(提升品質）、（減少浪費）、(提高效率）、（保證安全）。

5、防呆的基本思路：(削 除）、（替 代）、(簡 化）、（檢 測）、（減 少）

二、簡要敘述防呆的基本原則。（10分）

1、使作業的動作輕松；

2、使作業不要技能與直覺；

3、使作業不會有危險 ；

4、使作業不依賴感官。

三、你認為我們日常工作中出錯的原因有哪些? 請舉例說明（20分）

1、忘記；

2、對過程/作業不熟悉。

3、識別錯誤。

4、缺乏工作經驗。

5、故意失誤。

6、疏忽。

7、行動遲緩；

8、缺乏適當的作業指導；

9、突發事件

四、簡要敘述防呆法的應用原理，并分別就每種原理舉出自身工作生活的一個案例。（20分）

1.斷根原理：將會造成錯誤的原因從根本上排除掉，使絕不發生錯誤，藉“排除”的方法來達成。

2.保險原理：藉用二個以上的動作必需共同或依序執行才能完成工作。

3.自動原理：以各種光學、電學、力學、機構學、化學等原理來限制某些動作的執行或不執行，以避免錯

誤之發生。

4.相符原理：藉用檢核是否相符合的動作，來防止錯誤的發生。

5.順序原理：避免工作之順序或流程前后倒置，可依編號順序排列，可以減少或避免錯誤的發生。

6.隔離原理：藉分隔不同區域的方式，來達到保獲某些地區，使其不能造成危險或錯誤的現象發生。隔離原理亦稱保護原理。

7.復制原理：同一件工作，如需做二次以上，最好采用“復制”方式來達成，省時又不錯誤。8.層別原理：為避免將不同之工作做錯，而設法加以區別出來。

9.警告原理：如有不正常的現象發生，能以聲光或其它方式顯示出各種“警告”的訊號，以避免錯誤的發生。

五、您認為咱們公司的防呆運用狀況如何？關于防呆應樹立什么樣的觀點？（25分）

1.自檢和互檢是最基礎但有效的防呆方式。

2.防呆裝置并不需要大量的資金投入或很高的技術。

3.任一作業均可通過預先設計時加入防呆技術而防止人為失誤。4.通過持續過程改善和防呆，零缺陷是可以實現的。5.防呆應立足于預防，在設計開始即應考慮各過程操作時的防呆方法。

6.在所有可能產生問題的場所均考慮防呆方法。

第五篇：半導體材料的發展現狀與趨勢

半導體材料與器件發展趨勢總結

材料是人類社會發展的物質基礎與先導。每一種重大新材料的發現和應用都把人類支配自然的能力提高到一個全新的高度。材料已成為人類發晨的里程碑。本世紀中期單晶硅材料和半導體晶體管的發明及其硅集成電路的研究成功，導致了電子工業大革命。使微電子技術和計算機技術得到飛速發展。從20世紀70年代的初期，石英光纖材料和光學纖維的研制成功，以及GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功與半導體激光器的發明，使光纖通信成為可能，目前光纖已四通八達。我們知道，每一束光纖，可以傳輸成千上萬甚至上百萬路電話，這與激光器的發明以及石英光纖材料、光纖技術的發展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先進生長技術發展和完善以及超品格量子阱材料包括一維量子線、零維量子點材料的研制成功。徹底改變了光電器件的設計思想。使半導體器件的設計與制造從過去的雜質工程發展到能帶工程。出現了以“電學特性和光學特性的剪裁”為特征的新范疇，使人類跨入到以量子效應為基礎和低維結構為特征的固態量子器件和電路的新時代，并極有可能觸發新的技術革命。半導體微電子和光電子材料已成為21世紀信息社會的二大支柱高技術產業的基礎材料。它的發展對高速計算、大容量信息通信、存儲、處理、電子對抗、武器裝備的微型化與智能化和國民經濟的發展以及國家的安全等都具有非常重要的意義。

一、幾種重要的半導體材料的發展現狀與趨勢

1.硅單晶材料

硅單晶材料是現代半導體器件、集成電路和微電子工業的基礎。目前微電子的器件和電路，其中有90％到95％都是用硅材料來制作的。那么隨著硅單晶材料的進一步發展，還存在著一些問題亟待解決。硅單晶材料是從石英的坩堝里面拉出來的，它用石墨作為加熱器。所以，來自石英里的二氧化硅中氧以及加熱器的碳的污染，使硅材料里面包含著大量的過飽和氧和碳雜質。過飽和氧的污染，隨著硅單晶直徑的增大，長度的加長，它的分布也變得不均勻；這就是說材料的均勻性就會遇到問題。雜質和缺陷分布的不均勻，會使硅材料在進一步提高電路集成度應用的時候遇到困難。特別是過飽和的氧，在器件和電路的制作過程中，它要發生沉淀，沉淀時的體積要增大，會導致缺陷產生，這將直接影響器件和電路的性能。因此，為了克服這個困難，滿足超大規模集成電路的集成度的進一步提高，人們不得不采用硅外延片，就是說在硅的襯底上外延生長的硅薄膜。這樣，可以有效地避免氧和碳等雜質的污染，同時也會提高材料的純度以及摻雜的均勻性。利用外延方法，還可以獲得界面非常陡、過渡區非常窄的結，這樣對功率器件的研制和集成電路集成度進一步提高都是非常有好處的。這種材料現在的研究現狀是6英寸的硅外延片已用于工業的生產，8英寸的硅外延片，也正在從實驗室走向工業生產；更大直徑的外延設備也正在研制過程中。

除此之外，還有一些大功率器件，一些抗輻照的器件和電路等，也需要高純區熔硅單晶。區熔硅單晶與直拉硅單晶拉制條件是不一樣的，它在生長時，不與石英容器接觸，材料的純度可以很高；利用這種材料，采用中子摻雜的辦法，制成N或P型材料，用于大功率器件及電路的研制，特別是在空間用的抗輻照器件和電路方面，它有著很好的應用前景。當然還有以硅材料為基礎的SOI材料，也就是半導體/氧化物/絕緣體之意，這種材料在空間得到了廣泛的應用。總之，從提高集成電路的成品率，降低成本來看的話，增大硅單晶的直徑，仍然是一個大趨勢；因為，只有材料的直徑增大，電路的成本才會下降。我們知道硅技術有個摩爾定律，每隔18個月它的集成度就翻一番，它的價格就掉一半，價格下降是同硅的直徑的增大密切相關的。在一個大圓片上跟一個小圓片上，工藝加工條件相同，但出的芯片數量則不同；所以說，增大硅的直徑，仍然是硅單晶材料發展的一個大趨勢。那我們從提高硅的集成度來看，最終要研制出適用于硅深亞微米乃至硅納米工藝所需要的硅外延片，將會成為硅材料發展的主流。

目前硅技術的線條發展越來越細了。現在我們國家的909工程是0.35微米的工藝，可以做到0.25微米；然而隨著集成度的提高，要求光刻線條越來越細，是否有個極限呢？當線條的寬度變到35個納米的時候，或者比35個納米更小的時候，或許就是硅集成電路的“極限”，當然這個極限不是物理的極限。因為這個所謂的極限預測過多次，曾經預測過1微米是硅線條的極限，后來是0.5微米，又變到0.35微米，現在實驗室的0.18微米的集成電路也已經做出來了。通過人們的努力和新的技術的發明，線條也許還可以進一步的減小，當然它最終將受到量子力學測不準原理、光速和熱力學的限制。這里講的所謂的技術限制，就是說在目前這樣的條件和技術下，它能夠達到的一個極限。我們知道現在的集成電路的布線可多達七、八層以上。如果多層分布的連線過長，那么電子從一個器件到另一個器件的所需的時間完全消耗在走的路上了。也就是說，延遲時間限制了速度的進一步提高。硅材料雖然可能到21世紀的中期仍將占有很重要的地位，然而，硅微電子技術最終是難以滿足人們對更大信息量的需求的；所以，發展新型半導體材料比如說Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料，超晶格量子阱材料以及硅基鍺硅合金材料等，作為硅材料的一個替補材料也是很重要的。

2.GaAs和InP等Ⅲ-Ⅴ族化合物材料

GaAs和InP等Ⅲ-Ⅴ族化合物材料可能是一個好的替補材料。我們知道硅材料是間接帶隙材料，它的發光效率很低，所以它不可能作為光電集成的基礎材料，用硅來做發光管、激光器目前還是不可能的。那么Ⅲ-Ⅴ族化合物材料，像GaAs和InP，首先，它的電子的光躍遷不需要聲子的參與，它的發光效率很高；與硅相比，它的電子的漂移速度高，同時它耐高溫，抗輻照；與此同時，作為微電子器件來講，它具有高速、高頻，低噪音，故在光電子器件和光電集成方面，占據非常獨特的優勢。Ⅲ-Ⅴ族化合物,現在的市場情況怎么樣呢？隨著移動通信的發展，目前工作在0.8GHz以下的手機，是以硅材料為主體，那么到2.2GHz的時候，或超過這個頻段到7.5GHz的時候，硅材料作為它的接收和發射器件或電路，可能就不行了；這個時候，一定要用GaAs, InP或者GeSi材料。從光纖通信來看，也是如此。所以說從移動通信和光纖通信的發展需求看，對半導體Ⅲ-Ⅴ族化合物材料，特別是用于集成電路的GaAs材料的需求，將會每年以20％到30％的速度增長。那么它的研究現狀是怎么樣的呢？以GaAs, InP為代表的Ⅲ-Ⅴ族半導體材料，兩英寸和三英寸的n型的和p型的材料，基本上能夠滿足現代的微電子和光電子器件的需求。沒有摻雜的半絕緣體的GaAs單晶材料，它是GaAs集成電路的一個基礎材料，目前主要采取一種叫作液封直拉法LEC的方法制造。就是將GaAs熔體放置在一個熱解BN的坩堝里面，因為As是易揮發的，而氧化砷有很大毒性，因此在它上面覆蓋一層材料，比如說三氧化二硼。三氧化二硼的熔點低于GaAs的熔點，可以把熔體的GaAs覆蓋起來。在單晶爐里面充了很高的氣壓，使As不能揮發出來，然后把GaAs籽晶通過氧化硼這個透明的液體伸入到GaAs的熔體里面拉晶。這項生產技術，叫做液封直拉法。目前用這種辦法，直徑為兩英寸、三英寸、四英寸的片材已經商品化。我們國家可以拉制三英寸GaAs單晶。兩英寸的可以小批量生產。在國際上，六英寸的半絕緣砷化單晶已在實驗室里拉制成功。

這種材料也存在的問題。半絕緣體GaAs的純度與硅相比，是遠不如硅的。硅可以做得非常純，有12個9的純度。就是10－6PPM，就是說它的雜質的含量僅為百萬分之一PPM。但GaAs呢，僅僅只有6個9，就是一個PPM，即它的雜質和缺陷的濃度高達一個PPM。所以說GaAs半絕緣體的性質并不是由純度高、雜質少決定的，而是由雜質和缺陷互相補償，這樣的材料實際上是電學補償導致的高阻材料。這種材料的熱學穩定性較差，在器件工藝的熱處理過程中，缺陷產生、雜質缺陷絡合等，可能改變它的導電性能。這是什么原因呢？我們知道，硅是一個元素半導體，它只有兩種點缺陷，即硅的空位和硅間隙。那么對于Ⅲ-Ⅴ族材料，它的點缺陷就有六種，有兩種空位，兩種間隙，兩種反位的缺陷。比如As占了Ga位，Ga占了As位，這都是點缺陷。這些缺陷都對導電性能產生影響。所以對這種材料，如果把它的雜質和缺陷絡合物加起來的話，缺陷就更多了，因而這種材料的制作是非常困難的。它是用LEC法拉制的。晶體拉制過程中，在固體與液體交界面處，它的溫度剃度比較大，在晶體內部存在著大的應力；在晶體冷卻過程中應力的釋放將產生大量缺陷，它的位錯密度非常高。所以說這種材料目前存在著很多的問題要求克服。從硅來講，硅可以做到無位錯，所以說它可以用于制作超大規模集成電路。比如說，對于一個平方微米內有一個器件，或多個器件的電路，那么GaAs就不行了；因為，它每一個平方厘米就有一萬個以上的缺陷。如果一個器件，碰到這個缺陷，那么整個電路就失效了。所以說，用GaAs研制大規模集成電路，它的質量還有待提高。

Ⅲ-Ⅴ族半導體材料的發展趨勢，也可以總結為下面幾點。從提高它的價格和性能比來看，增大直徑仍是大趨勢，只有增大直徑，它的價格才可能進一步降低。從另外一個方面來講，為滿足大規模集成電路和光電器件的襯底的需求，它的位錯密度必須降下去。要降到每個平方厘米1000或100以下，甚至更小，這最終取決于集成度和材料將要用在什么地方。我剛才講到，GaAs的高阻性能是雜質與缺陷補償的結果，很不均勻；如何提高這種材料的電學和光學均勻性，也是需要解決和克服的問題。此外，還要重視片材制備技術，即要做到片材拿來就可以用的要求，不需要再去拋光或腐蝕和再去作其他的處理。這就是說，要將拉制的錠條進行滾圓、磨定位邊、拋光和在保護氛圍下將拋好的片子封裝起來等。當然，還要求片材的表面沒有被損傷，除了肉眼看不見的損傷以外，亞表面損傷，即在材料的表層下面，比如說幾十個納米以下的地方，人的肉眼甚至光學顯微鏡看不見的損傷也是不能有的。即在片材制備的過程中，不能在它的表皮下面一層產生應力或缺陷。

3.半導體超晶格、量子阱材料

比如說GaAlAs和GaAs的晶格常數相差很小，而它們的禁帶的寬度不同。GaAlAs的寬度要大于GaAs的，把這兩種半導體材料用新的生長技術，像分子束外延技術，金屬有機化合物化學汽相淀積技術等一層一層的、周期性的生長出來。這個周期人為地可以控制，不像硅單晶，它的晶格常數是一定的；這樣的結構，我們稱為超晶格結構。這種超晶格結構的想法，是1969年由日本的江琦和美籍華人朱兆祥提出來的，而且江琦因此獲得了諾貝爾獎。我們知道，超晶格的概念提出來的時候，還沒有實現這種想法的技術，只是從理論上預測這種結構會有很多新的性質。一直到20世紀70年代中期的時候，分子束外延技術的發展，還有MOCVD技術的發展，才使這種材料生長得到了實現。我們知道，現在的分子束外延，MOCVD可以控制一個原子層一個原子層的生長，界面的陡峭度也可以做到單原子層。由于這種材料的結構可以人為地改變，可以設計一個程序，通過計算機的控制，把它生長出來；如果設計的是一個器件結構，那么它的電學和光學的性質則可由人工控制，所以，能帶工程設計是研制新一代量子器件的基礎。

4.高溫半導體材料

主要介紹幾種重要的高溫半導體材料。如Ⅲ族氮化物，它主要有GaN、AlGaN和InGaN等，它不僅僅是一個高溫微電子材料，也是很好的光電子材料。比如現在發藍光、綠光的半導體發光二極管和激光器，就是用這種材料作出來的。另外，碳化硅，立方氮化硼和金剛石，也是很好的高溫半導體材料。當然，要達到應用，還存在很多問題要解決。這類材料，主要是應用在一些惡劣的環境，像在高溫、航空、航天、石油鉆探等方面。現在的電視，廣播發射臺仍然用的是一人高的電子管，它的壽命短、笨重且耗電多。那么將來，若用碳化硅和氮化鎵材料制成的數字電視用發射模塊的話，有可能使體積大大減少，壽命增加。從研究現狀來看，美國西屋公司，已經研制成功的4H碳化硅的晶體管的功率已達到了400瓦。在碳化硅襯底上生長GaN制成的場效應晶體管，功率也已達2.3瓦。GaN高電子遷移率晶體管的最高頻率已做到67GHz。那么這種材料存在的問題是什么呢？例如GaN，這種材料沒有好的襯底，現在都是在藍寶石襯底上外延生長的。GaN外延層的位錯密度高達每平方厘米108以上；所幸的是這種材料的鍵能比較強，即使這么高的位錯密度，作為發光管，它的壽命仍然可以達到10萬小時以上。但是用這種材料作激光器，如藍光或綠光激光器的話，這么高的缺陷密度是不行的。此外金剛石單晶薄膜制備，是另一個重要方向。金剛石有著比氮化鎵更大的禁帶寬度，可以耐更高的溫度，它抗腐蝕性能好，可工作在非常惡劣的環境。但是，這種材料存在主要的一個問題是單晶薄膜生長非常難。至今還沒有人能夠生長出單晶金剛石薄膜。P型金剛石材料已經研制出來，但N型摻雜至今沒有完全解決。單晶金剛石薄膜是一個具有非常重要應用前景的材料，但要實用，還要走很長的路。

二、低維半導體材料和量子器件

1.一維量子線和零維量子點材料

維的定義是構成空間中的每一個因素，如長、寬、高，甚至時間，都可以叫做一個維。若不考慮時間，空間是三維的，平面是二維的，而直是一維的，零維的就是一個點。如果載流子僅在一個方向可以自由運動，在另外兩個方向受到約束，那么這種材料我們稱為量子線材料。如果在載流子運動的三個方向都受到約束，就是說它只能在一個小點內或就像在一個小箱子里頭運動，這時，電子的運動受到了三維的約束，我們稱之為量子點。按照量子力學原理，量子點里的電子或空穴，它的能量是量子化的。因為它不可以自由運動，它只能是一級一級地跳躍。量子點的這種分立的態密度函數與體材料是截然不同的，體材料是拋物線分布，量子線則像脈沖一樣的函數分布，量子點則完全是分立的線，就像分子光譜那樣，這樣的密度函數就決定了低維材料有著非常優越的性能。隨著材料尺寸減小，維度降低，量子尺寸效應、量子干涉效應、量子隧穿、庫侖阻塞效應變得越來越明顯。這就構成了量子器件的基礎，這完全不同于基于PN結里面電子、空穴通過擴散和漂移運動的器件，它是一種嶄新的器件。量子點可以是半導體材料，也可以是金屬材料做成。基于這種量子效應的新器件，很可能成為新一代微電子技術、光電子技術的發展的基礎，它是一個有著非常重要應用前景的研究領域。

這種低維材料有哪些特點呢？為什么會引起人們的興趣？首先，它的工作頻率高。假設一個電子在一個10個納米的線上運動，若電子在真空中運動的速度接近光速，那么我們可以算出它通過10nm線所需時間，電子從這一點飛到那一點，中間若不經過任何的散射，就像一個炮彈打過來，所以它的工作頻率可以非常高，可達到1000GHz以上。現在做到的InP基P-HEMT器件，最高頻率已達600GHz。其次它具有很高的集成度。因為這種器件非常小，可以做到每個平方厘米1010個器件以上，相當于每平方厘米有100億個器件。第三功耗很小。從光電子器件的激光器看，用這種材料制成的量子點激光器的閾值電流密度非常低。所謂閾值，就像一個門檻，當注入激光器的電流高于這個門檻的時候，發光不再是向四面八方的自發輻射，而是光突然集中起來了，沿著一個方向發射出相干的光，稱為激光。用低維材料制成的激光器，它的閾值電流密度是非常低的。原因就是由于它分立的態密度函數決定了的。它的量子轉換效率非常高，它的調制速度很高，它激光的線寬非常窄，這是因為它源于固定分立量子能級之間的躍遷；窄的線寬在光纖通信上是非常有用的。所以說這種材料在光電子和微電子技術應用上，特別在將來的納米電子學、光子學以及新一代的超大規模集成電路方面都有著重要的應用前景，極有可能觸發新的技術革命。這里強調的低維半導體材料實際上是一個人工設計、通過先進技術如MBE等制造的材料，但是這種材料自然界是不存在的。基于這種新型半導體材料的新一代量子器件，很可能成為21世紀高新技術產業的一個重要支柱。

MBE等生長技術與精細加工技術相結合，可以制備出量子線、量子點材料。這種技術的優點就是可以人為地控制量子線的形狀、尺寸、密度。它的缺點是電子束的曝光。干法、濕法刻蝕技術制備的量子結構尺寸遠比生長厚度大，目前最好為幾十個納米。剛才講的量子阱的材料的阱寬可以控制到一個單原子層。一個單原子層就是幾個埃，零點幾個納米。要保證橫向尺寸同縱向尺寸一樣，現在的加工技術是做不到的，要實現這一點，需要發展新的加工技術。我們知道，用電子束曝光也好，離子束注入隔離也好，都要產生缺陷。沿直線兩邊產生的損傷，都會成為散射中心。電子沿著這樣的直線運動時，當碰到損傷的地方，就發生散射，其結果使低維材料所具有的優異特性，就被這些缺陷完全抵消掉了。所以用這種技術制備的低維材料，要想真正達到理論上預計的性能，必須要發展一種高空間分辨和沒有損傷的加工技術。

2.基于低維半導體材料的量子器件的研究和發展現狀

量子線調制摻雜場效應晶體管，共振隧穿二極管和三極管等都已經研制成功。單電子器件，單電子存儲器和單電子晶體管也分別于1993年和1994年在實驗室研制成功。這是一個單電子存儲器原形器件，源和漏之間有一條寬為10納米的線，線中間是一個7×7納米量子點，線與量子點之間有兩個縮徑，比10納米還要小。基于庫侖阻塞效應的單電子器件的工作原理是兩邊是金屬電極，中間是一個小島，如果這個島的面積足夠小，它的電容也就非常小。如果有一個電子已經在這個小島上，當另外一個電子進入這個小島時，這兩個電子則相互排斥，使系統能量提高，致使第二個電子也無法進入這個小島；同時，處在這個狀態的電子也不可能自由地跑走，而要留在這個島上；只有當加一個偏壓使第一個電子離開這個小島后，下一個電子才會再來。而有電子和沒有電子相應于0和1態，這就是單電子存貯器的基本原理。如何利用STM去制作單電子器件？它是在硅襯底上首先氧化生成SiO2，然后鍍上金屬鈦薄膜，在針尖和鈦金屬膜間放點純水，加電場使鈦氧化，氧化鈦是不導電的，而鈦是導電的，只要按一定的圖形就可以做出一個單電子晶體管來。當有一個電子到這個小島上以后，它就會被陷在島上，只有當加一個偏壓將這個電子移走以后，第二個電子才能來，那就完成了一個0，1操作。這就是上面說的單電子存儲器的工作原理。最近，據報道，在單電子存儲器的原形樣機的研制上已取得了突破進展。日本用0.25微米的工藝模擬了一個單電子存儲器電路，獲得成功。我這里講的所謂單電子，可能不止是一個電子，可能有十幾個或幾十個電子。與現在的幾千，幾萬個電子的存儲器來說，功耗是小多了，存儲密度也高多了。

低維半導體結構發展很快，取得很大進展，但存在很多問題。除了超晶格、量子阱的材料在微電子器件、光電子器件中已經得到使用以外，納米器件研制也已經開始。人們利用STM和AFM這種技術可以研制分立的器件已經不是非常困難的了，但是我們所關心的是要做到每平方厘米制造上億或更多的器件，而且要連在一起形成一個電路，目前還是難以實現的。采取什么樣的連結方式，什么樣的技術，還沒有解決。從現在來看，如果使用GaAs材料，要制成0.1mm的工藝的器件，要在4.2度K下，才可以工作。在50個納米的情況下，工作溫度也要在77K。因而必須發展納米加工工藝，才能夠滿足納米器件在室溫下的工作需要。這種工藝應該是無損傷的納米加工工藝。若能在每一個探針上配一個可三維移動的微機械，100×100的陣列，就是一萬個探針，自動控制一次制作一個芯片就成為可能。設想中這個納米加工技術，據報道目前已經做到了16×16的規模。納米技術采用什么材料，也有很多問題。硅材料本身雖然很好，加之天然SiO2的絕緣介質，真可以說是天賜的！但作為絕緣隔離器件的二氧化硅是非晶，雜質、缺陷、表面和界面態的存在，使它作為納米電子學的基礎材料也會遇到問題。我們剛才講的SK生長模式，量子點的密度、形狀、尺寸是比較難以控制的。