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新书上架！日本作者撰写《大话芯片制造》

EETOP · 公众号 · 硬件 · 2024-10-13 10:31

正文

大话芯片制造，轻松解读芯片科普

与众不同的清新、亮眼绿色封面，让IC从业者眼前一亮的同时，天然产生对芯片绿色电路板的熟悉和亲近感，又寓意着国内集成电路创新未来的蓬勃生机。

本书是一本引进自日本的畅销芯片科普书，原作者菊地正典，日本知名芯片专家，担任过曾经世界半导体巨头NEC公司半导体部门总经理和总工程师。著有多本畅销科普图书。

本书秉承了日式科普书风格，通过大量原理图片和实物图片，以图解形式、轻松有趣讲解了芯片制造工厂的基础设施、制造工艺、原理、设备、材料、检验等相关信息。

还有很多同类书没有介绍的独家内容，补全讲解从人员、产品、资金、产业到工厂揭秘，犹如跟随作者亲历芯片制造产线，沉浸式体验和感受芯片制造各流程。

本书虽以芯片制造技术入手，但图解内容轻松易懂，对读者阅读要求的知识门槛低，又独家揭秘了芯片制造工厂的运营到管理，适用于更大读者群。本书非常适合对芯片这个话题(不管是技术还是产业运营等)感兴趣的IC从业者和大众读者。

相信阅读过《芯路》《半导体简史》《图解入门半导体》等书的读者一定也会对本书倍感兴趣。 ◆主题词◆

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◆图书简介◆

本书是一本关于半导体芯片制造全景的入门书。

本书以轻松有趣的风格全面讲解芯片制造工厂的基础设施、设备、相关制造工艺、原理、材料、检验等相关信息，从科普到深入的“工厂”视角，沉浸式讲解芯片制造产业，读者不仅可以从传统角度理解半导体芯片，还可以从人、产品、资金和产业的角度全面理解半导体芯片。关于芯片制造工厂的知识不仅值得相关行业的人员学习，也可以作为其他行业的人员在制造方面的参考。

本书适合集成电路行业的从业者、研究者、相关专业师生和感兴趣的大众读者阅读。

◆ 目录：◆

译者序

原书前言

第1章　漫游半导体工厂

1.1　鸟瞰半导体工厂：厂房、办公楼、工厂周边配电设备以及储罐

1.2　工艺总检查：从扩散工艺到检验鉴别工艺

1.3　组织人事结构：厂长以下设立生产技术部和设备技术部

1.4　工厂的选址：水、电、高速公路，还有其他必须条件

1.5　拥有变电站的半导体工厂：各种各样的防停电措施

1.6　药液、气体的供给及排放系统：从空气中提取大量氮气

行业知识：半导体公司命名的逸闻趣事

第2章　集成电路制造过程

2.1　什么是半导体：一半导电的导体

2.2　IC 芯片的制造过程

2.3　前道工序（1）：基板工艺（FEOL），在晶圆上构建电子元素

2.4　前道工序（2）：布线工艺（BEOL），电子元素间的金属布线

2.5　晶圆：纯度提炼到11 个9

2.6　薄膜的制造及形成：多层薄膜的叠加

2.7　电路如何进行光刻：电路图案的光刻

2.8　刻蚀工艺的形状加工：加工材料薄膜

2.9　纯度99.9…的晶圆中加入杂质：故意加入杂质的原因

2.10 晶圆的热处理：热处理的目的及主要工艺

2.11 使表面平坦化的化学机械抛光（CMP）工艺

第3 章　揭秘IC 芯片制造中不常被提及的工艺

3.1 通过清洗彻底清除尘埃：化学分解和物理分解

3.2 清洗后“冲洗→干燥”：用超纯水冲洗，然后再去除水分

3.3 布线使用镶嵌技术：镶嵌工艺的关键是金属镶嵌

3.4 IC 芯片全数检验：晶圆检验工艺的确认方法

3.5 为保险起见引入冗余电路：紧急情况下备用存储器的构成

3.6 分割芯片的切割设备：切割精度为头发丝直径的1/10

3.7 框架内贴片：封装位置的精确作业

3.8 金线的引线键合：在0.01s内完成的操作

3.9 引线的表面处理：外部电镀，增加强度，防止生锈

3.10 保护芯片的封装：防止气体、液体的渗入

3.11 引线引脚的加工成形：根据封装形状加工

3.12 用于芯片识别的激光打标：标注制造的时间、地点和方式

行业知识：晶圆制造商和电子设计自动化（EDA）供应商

第4章　了解原材料、机械和设备

4.1 为何进口硅：和生产铝一样是电力消耗大户

4.2 工厂引进设备的整个步骤：设备制造商经验的积累

4.3 同样的设备制造出的是同一IC 芯片？无数种组合里优化参数

4.4 IC 芯片的成本率：月产量为2 万片的工厂需要投资3000亿日元（约人民币150亿元）

4.5 原材料的保质期参差不齐：药液因为温度、湿度的不同产生细微的变化

4.6 晶圆的边缘部分为何不能用：周边除外（Edge Exclusion）

4.7 超纯水因工厂而异，因产品而异：从水源到超纯水的生产过程

4.8 超纯水的纯度：没有统一的标准

4.9 药液、气体的纯度：2N5表示“99.5%”

4.10 计算设备的使用率：设备有效使用率

4.11 硅烷气体属于可自燃的危险物：因半导体产业的发展而被广泛应用

4.12 半导体工厂也会发生氢气爆炸：核电站和半导体工厂的相似点

4.13　光刻技术是细微化加工的核心技术：电路图案的复制

4.14　整批处理到单片处理：有利于细微化加工的单片处理

4.15　加热处理采用快速热处理：追求短时间的热处理

行业知识：超纯水、光刻胶、掩模的主要制造商

第5章　在检验中如何发现问题以及如何出货

5.1　如何发现次品：检验工艺的原则是全数检查

5.2　封装前出货的芯片（KGD）：多层芯片封装（MCP）必需的裸片

5.3　IC芯片的样品：从开发到量产的样品种类

5.4　可靠性测试和筛选：通过加速实验估计寿命

5.5　同样规格但运行速度不同：检验工艺分类出优质的大规模集成电路（LSI）

5.6　IC芯片出货、包装的注意点：客户出货时的三种包装箱

5.7　半导体的销售与直销：半导体经销商即销售代理

5.8　对投诉的处理促进芯片的改善：通过回顾制造过程进行调查

第6章　必须知道的工厂禁令和规则

6.1　半导体制造厂的倒班轮休制度：1年365天每天24小时连续生产

6.2　机器人和线轨搬运：减少人为错误，提高效率

6.3　设备编号分组管理：精密机械存在个体差异

6.4　尘埃引起IC 芯片故障：多大的尘埃会引起故障

6.5　计算机集成制造（CIM）的三大作用：对生产效率和质量的提高

6.6　运用统计学实施工程管理：确保产品质量的稳定

6.7　趋势管理捕捉异常迹象：统计工程管理（SPC）法

6.8　工业废料的处理责任归于制造公司：非法倾倒会损害公司声誉

6.9　无尘室的清洁度：日本产业标准（JIS）的1~9级

6.10　无尘室的进入规则：轻轻拍打全身，身体转两三圈

6.11　无尘室的构造和使用：整体式和隔间式

6.12　“局部无尘”战略：降低无尘室成本的智慧

6.13　无尘室是“太空实验室”：黄色照明与特殊书写工具

6.14　工期上的“特快”“普快”和“慢车”：不同制造周期的产品混合生产

行业知识：无尘室的相关企业

第7章　劳动者的心声：工厂因人而充满活力

7.1　诞生于吸烟室的创意：独特氛围的“异次元”空间

7.2　原则上“禁止”参观工厂：必须签署“保密协议”才能进入制造生产线

7.3　半导体工厂也要改进：审查提议，决定等级

7.4　各种各样的非正式员工：特殊派遣员工中容易获得高水平人才

7.5　反复检测：使用在与人身安全有关的汽车和医疗器械行业

7.6　必需的证书：与电工、叉车操作、药液、防火等相关的证书

第8章　必须知道的半导体工厂秘密

8.1　立式炉成为主流的原因：占地面积、晶圆的支撑和转送

8.2　湿式清洗以外的方法：目的、用途不同而分类采用

8.3　良率：1片晶圆里取得的合格芯片的数量

8.4　批量大小对生产的影响：小批量的生产周期一定短吗

8.5　无尘服的颜色区分：瞬间判断对方的身份

8.6　气瓶室的创意：屋顶的耐压值较低的原因

8.7　静电对策的智慧：将二氧化碳溶于水

8.8　参观无尘室心得：了解后有助于理解工厂的特点

8.9　定期检查项目：每日、每月、每6个月的检查项目

8.10　调整设备能力：平衡生产线的生产能力，提高产量

8.11　半导体工厂的零排放：循环型环保产业

8.12　半导体芯片公司的战略各不相同：英特尔、三星、台积电

8.13　半导体设备制造公司是否会泄露机密：突然从蜜月期转为不信任

8.14　紧急电源对策：电力不足时的优先对策

8.15　无尘室的健康检查：走马观花的检查团

第9章　日本半导体“复活的药方”

9.1　半导体业界面临巨大的变革

9.2　日本半导体衰落的原因

行业知识：“设备业界流失专业技术”是否正确

9.3　复活的药方

◆ 前言：◆

原书前言

我们生活的环境中充满了各种各样的电子设备。无论在家或者公司，当你在学习、工作中，以及旅行期间，你都不太可能摆脱电子设备。具体而言，计算机、液晶平板电视机、DVD、智能手机、平板终端（iPad等）、数码相机、汽车导航系统、电子书阅读器等电子设备数不胜数。

这些电子设备中都预先设置了必要的智能功能，而其正是通过半导体来实现这些功能的。因此，半导体已成为支撑现代社会基础的重要组成部分。虽然在书店里可以找到许多面向普通读者的半导体入门书籍和手册，但说到这些半导体的制造地点和制造方式，几乎是不为大众所知的。即使有机会参观工厂，也很难见到拥有许多无尘室的半导体生产线。

本书以“大话芯片制造”为主题，希望能以通俗易懂的方式，从各个角度解释半导体制造，让更多人对它产生兴趣。本书不是仅仅简单地解释半导体工厂的结构和功能，而是根据笔者的实际工作经验介绍了许多诸如“流行话题”“背景知识”和“实际应用”的知识。在读者阅读本书的过程中，会逐渐对半导体工厂的整体形象和核心结构形成完整的认识。

半导体是先进技术产品，而制造它们的半导体工厂本身可以说是凝聚先进技术、专业技能和智能系统于一身的先进制造场所。因此，关于芯片制造工厂的知识不仅值得相关行业的人员学习，也可以作为其他行业的人员在制造方面的参考。希望本书能对读者有所帮助。

然而，尽管本书介绍了作为先进制造场所的日本半导体工厂，但近年来日本半导体产业的衰落也是有目共睹的。鉴于日本半导体曾经在20世纪80年代主导过世界市场，作为一个长期涉足半导体产业的专家，对此难免有些伤感。但是如果从此放弃这一行，恐怕失去的将会更多。

因此，在本书中，笔者敢于设立一章，题为“日本半导体‘复活的药方’”，并给出个人的看法：克服日本企业的弱项，以坚定的眼光和决心在战略上高效地开发产品；同时发挥日本企业的强项，进一步提高和发展在生产领域的制造水平。

同时，一定要在全球率先开发和量产可以引领下一代商业模式的领先技术，以赢得激烈的竞争。为此，首先需要公众和政府以及产业界、学术界的理解与合作，不仅包括半导体产业，还包括其他产业。笔者希望在本书最后一章中所说的内容能对日本半导体产业的复兴有所帮助。

菊地正典

◆ 作者简介：◆

作者简介

菊地正典

1944年出生，1968年毕业于东京大学工学部物理工学系。自加入NEC公司以来，一直从事半导体相关工作。负责半导体器件和工艺的开发和生产工作，担任该公司半导体事业部总经理和总工程师。曾任日本半导体制造设备协会专务理事，2007年8月起担任半导体能源研究所顾问。著有多本半导体畅销图书。

◆ 译者简介：◆

译者简介

周忠

1987年5月保送南京航空学院（现南京航空航天大学）机械工程系就读。1995年于日本东京都立科学技术大学（现东京都立大学）攻读博士学位。1998年就职于日本半导体芯片设备公司，在世界著名芯片制造设备企业从业超26年，同时系日本华侨华人博士协会会员。

◆ 译者序：◆

译者序

在芯片制造过程中，由芯片制造厂商把需要改进的意见，反馈给芯片设备制造商和材料供应商。芯片设备制造商和材料供应商改进设备及材料后，重新提供新一代的生产工艺。双方共同解决问题，促使工艺水平螺旋式上升，开启制造的良性循环。一代又一代工程师艰辛努力，挑战一个接一个的人类极限，促使芯片制造级别从数百纳米发展到目前的2nm。

芯片制造过程中遇到的一般问题，本书都有涉及。有关当今的热门话题，只要拥有先进的设备（比如光刻机）是否就能造出相同级别的芯片？本书给出的答案是：使用相同的设备不一定能生产出相同的芯片。本书作者菊地正典先生作为日本芯片制造的资源专家，自然有其丰富的业界经验及独特的见解。他自始至终传递给读者的信息就是，坚持制造的科学规律，而且不因循守旧，是提高制造精度的良方。

本书内容深入浅出，没有晦涩难懂的公式和高深的理论，即使没有任何经验的初学者，通过本书的学习，也能够初步了解整个半导体芯片的制造工艺程序，对半导体芯片制造形成完整的认识。当你读完本书，可以说对如何制造半导体芯片已经基本了然于胸，接下来就是实践应用了。

为方便读者，原文对不容易理解的部分增加了比较详细的注释。半导体芯片领域的发展日新月异，本书的内容也有其局限性。为了保持内容的完整，原文仍然全文译出，供读者选择阅读。

目前国家倡导大力发展芯片工艺，在发展先进芯片设计领域的同时，也注重芯片制造领域的平衡发展。希望本书能够从入门阶段开始，引导更多人对芯片制造的科学理解，一步一个脚印实现先进制造技术，为人类的芯片制造做出贡献。