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在夙昔的几十年里，技能跨越的一个途径险些皆是基于半导体终了的。半导体是其电导率不错变化多个数目级的材料，这使得不错采用性地阻挠和允许电子流动。这种特点使得制造各式电子开采成为可能，尤其是数字狡计机。

跟着夙昔几十年半导体技能的跨越，电子狡计的资本和鸿沟稳步下跌，使个东说念主电脑、互联网和出动电话成为可能。如今，梗概实施多量矩阵乘法的强盛 GPU神色的半导体是股东东说念主工智能技能的基石。越来越多的狡计可用于进行多量搜索和学习，推动了游戏东说念主工智能、狡计机视觉和大型讲话模子 (LLM)等鸿沟的跨越。

跟着摩尔定律的发展，晶体管（一种电子开关，集成电路的基本构建模块）变得越来越小、越来越低廉。1954 年，第一台晶体管收音机TR-1有 4 个晶体管，每个晶体管售价 2.50 好意思元（按 2024 年好意思元汇率狡计为 29.03 好意思元）。如今，领有 99 亿个晶体管的AMD Ryzen 处理器售价为 650 好意思元，即每个晶体管约 0.000000066 好意思元。

换句话说，自 20 世纪 50 年代以来，晶体管的资本已下跌了约 3 亿倍。

每个半导体元件皆发生了同样的缩小和低价化。但与此同期，制造它们的设施变得越来越力图。在 60 年代末和 70 年代初，半导体制造设施 (或“fab”) 的资本约为 400 万好意思元（按 2024 年好意思元汇率狡计约为 3100 万好意思元）。如今，一座当代化晶圆厂的资本可能达到 100亿至 200 亿好意思元以至更多。英特尔正在亚利桑那州建造两座工场，瞻望每座耗资 150 亿好意思元，三星位于德克萨斯州泰勒的工场瞻望耗资250 亿好意思元。

这些巨大的资本最终是由于稳步镌汰半导体资本的合并成分形成的：摩尔定律，即集成电路上的元件数目每两年就会增多一倍。（摩尔第二定律，也称为洛克定律，法例半导体工场的资本每四年就会翻一番。）半导体元件越小，创造制造条款就越清苦。

当代微芯片的宽度约为 50 纳米，约为东说念主类头发宽度的 1/2000。材料被放弃在几个原子薄的层中。制造这样小的物体需要超精密的制造开采，以及梗概屏蔽尽可能多的扰乱源的分娩环境；每个流氓灰尘雀斑或电压的微小波动。而且这些条款必须在每年分娩数亿个微芯片的大鸿沟分娩设施中保管，而不是在践诺践诺室的淡泊条款下保管。超精密和多半量分娩的勾通拔擢了寰宇上一些最复杂、最力图的工场。

半导体制造工艺

要了解为什么当代晶圆厂如斯力图，咱们开首需要了解制造半导体的工艺。

要是咱们将狡计机芯片从中间切开，并相等相等仔细地不雅察，咱们会发现它是由一系列层组成的。这是采选英特尔现时制造工艺制造的芯片的横截面：

这是通用集成电路的横截面图，自大了不同的层：

在芯片底部，上图中标志为 FEOL（front end of line）的区域是半导体元件自己：晶体管、电容器、电阻器、二极管以及用硅制成的用于制造微芯片的扫数其他部件。这些单独的组件将使用微不雅金属线连气儿在一说念，区域中的层标志为BEOL（back end of line）。由于当代电子芯片中的元件数目巨大，因此布线必须在单独的层上布线，这些层由称为电介质的电绝缘体辩别隔。举例，英特尔现时的工艺由15 层金属布线组成。该布线通过层中称为“通孔”的孔连气儿在一说念并连气儿到半导体组件。

芯片是通过一次一层地构建这种复杂结构来制造的。从极纯硅晶片运转，添加材料层，去除部分层，添加更多材料（或修改现存材料），以此类推，直到扫数这个词结构完成。这种制造方法称为平面工艺，由 Jean Hoerni 于 1959 年在 Fairchild Semiconductor 发明，它使集成电路和当代狡计机技能成为可能。

构建微芯片结构的过程不错分为四个重叠诳骗的基本操作：增层（layering）、图案化（patterning）、掺杂（doping）和退火（heat-treating）。

1.

增层

增层用于在晶圆名义添加一层极薄的材料（小至纳米或更小，仅为东说念主类头发厚度的 1/100，000）。这些层可能是绝缘体（举例用于分隔组件的二氧化硅层）、导体（举例用于连气儿组件的铜布线层）或半导体（举例组成半导体组件一部分的外延硅薄膜）。

凭据工艺方法和所使用的材料，可能会诳骗不同的分层技能。

跟着特征的缩小，千里积方法也跟着时辰的推移而发展。现在常见的增层方法包括热氧化（将晶圆清爽在熔炉中的氧气中，从而在晶圆名义形成一层薄薄的二氧化硅）、化学气相千里积 (CVD)（将气态化学物资承接在一说念，将其反馈物千里积在名义上）晶圆）和溅射（用等离子体离子轰击固体材料，导致原子脱离并千里积在晶圆名义）。当代半导体元件的小尺寸要求这些分层方法具有极高的精度。举例，当代原子层千里积方法梗概一次创建单层原子。

2.

图案化

图案化是在晶圆上刻出特定图案的过程，凭据需要采用性地去除材料以制造电子元件。在当代半导体上，这是通过光刻来完成的。

开首在晶圆上涂上一层薄薄的光敏材料，称为光刻胶。特定波长的亮光穿过称为掩模的玻璃或石英板，掩模上刻有要在晶圆上创建的图案。掩模包含单个芯片所需的图案，但晶圆将包含数百个单独的芯片。为了曝光每一个，使用步进机或扫描仪将掩模在晶圆名义上来回出动。未被掩模顽抗的光芒穿过并在光刻胶中引发化学反馈；

使用正性光刻胶，清爽在光芒下的区域会变弱并变得可溶；关于负性光刻胶，曝光区域会硬化，而光刻胶的其余部分仍然可溶。无论哪种情况，晶圆在曝光后皆会被清洗，在需要涂覆的图案中留住一层硬化的光刻胶。

从这里运转，晶圆将被蚀刻：腐蚀性化学物资将被施加到晶圆上，腐蚀掉被去除的光刻胶清爽的材料，并将图案刻在晶圆自己上。蚀刻不错是“湿式”（通过将晶圆清爽于氢氟酸等液体化学品中）或“干式”（通过将晶圆清爽于已被激励成等离子体的氟等气体中）。

蚀刻后，去除剩余的光刻胶。

3.

掺杂

掺杂是将极极少的杂质引入半导体材料以改革其电导率的过程。通过在硅中掺杂极少的V 族元素（举例磷或砷），不错产生具有过量开脱电子的 n 型半导体。通过掺杂极少的III 族元素（举例硼），不错产生具有过量电子空穴的 p 型半导体。通过顺应陈设 p 型和 n 型硅，不错制造晶体管等组件。

MOSFET 中的 p 型和 n 型半导体

早期，在半导体制造中掺入杂质的主要方法是扩散：通过在气体存不才加热晶圆，气体原子会扩散到晶圆名义。但如今，掺杂主要通过离子注入来完成：一束离子（具有过量或衰败电子的原子，赋予它们电荷）被辐射到晶圆上，将原子千里积在名义下方。

离子注入安装

4.

退火

半导体制造中的临了一个主要操作是退火。该过程中有很多方法，其中加热或冷却晶圆以得回特定效果。举例，离子注入会导致硅晶体结构受损。这种损坏不错通过快速热退火来树立；热灯在几秒钟内将晶圆加热到 1，000 度以上，然后晶圆幽静冷却，树立晶体结构。在光刻过程中还使用加热来“烘烤”并硬化液体光刻胶。

除了这四种基本工艺除外，半导体制造还触及很多其他撑执工艺。一个要道的支执过程是抛光：因为微芯片是由数十个单独的层组成的，跟着更多层的添加，层厚度的变化将跟着时辰的推移而传播，要是不加以措置，就会导致问题。

为了措置这个问题，在制造过程中频繁使用化学机械抛光（CMP）对晶圆进行抛光，以使晶圆名义光滑。CMP 还用于填充蚀刻产生的孔，方法是在扫数这个词晶圆上涂上一层材料，然后抛光掉孔上方的材料。

使用和不使用 CMP 的晶圆名义

CMP 用于用二氧化硅填充沟槽的过程中

另一个要道的支执过程是清洗。

由于最微小的杂散颗粒皆会导致微芯片发生故障，因此必须约束用溶剂和极纯水清洁晶圆。在当代晶圆厂中，晶圆在分娩过程中可能会被清洗200 次或更屡次。为了确保工艺正常运行，晶圆厂无为使用计量技能——在工艺的各个点测量晶圆，以确定是否存在职何制造不实或缺欠。

半导体工场的工艺经过图

通过一遍又一随处诳骗这四个基本过程，以及各式撑执过程，微芯片的结构徐徐地建立起来。跟着越来越多的晶体管被塞进集成电路中，这种结构（以及创建它的过程）变得越来越复杂。早期的集成电路只需五到十个不同的掩模和数十个工艺方法即可制成，但当代的顶端微芯片可能需要 80 个或更多掩模和数千个单独的工艺方法。

粗拙 20 世纪 80 年代的简便九掩膜 CMOS 芯片的工艺经过。如今，顶端芯片需要 80 个足下的掩模，况兼工艺经过愈加复杂。

一朝晶圆完成扫数这些方法况兼电路结构完成，就不错进行拼装和封装。在这里，晶圆被切割成单独的芯片，每个芯片皆连气儿到电线（以及任何其他芯片，就像先进的封装一样），并封装在保护涂层中。封装不错在半导体工场完成，也不错总计在另一个工场完成。

半导体制造的难度和用度

就其自己而言，多量的工艺方法并不需要价值 200 亿好意思元的制造设施。毕竟，很多复杂的制制品需要同样多或更多的方法来分娩。举例，一块20 世纪早期的腕表由 150 个零件组成，需要 3700 多说念工序才能分娩。

但当这些工艺方法被用来制造尺寸为十亿分之一米的组件时，制造的复杂性就会大大增多。关于大多数制造过程，即使是那些使用精密方法分娩可互换零件的制造过程，也存在绝顶程度的衙役。要是零件太长或太短一毫米，它仍然顺应。要是金属的杂质含量略略高一丝，该金属仍然不错使用。要是进度运行得略略太快或太慢，输出仍然可用。

在半导体制造中，允许的衙役险些被削减到零。制造几纳米尺寸的晶体管需要比传统制造精准数十万倍的工艺。最微小的流氓粒子（rogue particle）就能使连气儿短路并迫害扫数这个词芯片。一些原子位于不实的位置可能会导致工艺方法失败。难以察觉的极少杂质可能会对材料形成弗成解救的损坏。

半导体制造的历史即是一部针对这些微小影响过火不幸性影响的无停止战役的纪年史。即使要让半导体器件正常职责，也需要极其密切地羡慕化学浓度和不良杂质。20 世纪 40 年代，贝尔践诺室盘考半导体时，秘要的组件故障最终被追想到盘考东说念主员触摸了铜门把手；从门搬动到工东说念主手中的极极少铜原子就足以烧毁他们的职责材料。早期的半导体制造商发现，他们的工艺受到月相、工东说念主最近是否上过茅厕，以至女职工的月信周期等成分的影响。

跟着半导体特征变得越来越小，问题只会变得愈加清苦。跟着晶体管的缩小，英特尔发现，即使是最无害的开采变化（举例使用稍长的管说念或电缆）也可能导致新工场的工艺中断，并导致数月或数年的良率下跌。为了措置这个问题，英特尔制定了一个名为“ Copy EXACTLY”的经过。新工场将尽可能与现存工场一样，以至包括墙壁油漆的情态和品牌。

因此，当代半导体工场必须创造一个具有令东说念主难以置信的精度和可预测性的寰宇。每一个可能侵略制造过程的影响，无论何等小，皆必须被筛选出来，任何轻细的偏差皆必须被追查和摒除。这种限定必须在大鸿沟分娩环境中保管，每年分娩数十万个晶圆和数百万个单独的芯片（每个芯片皆稀疏十亿个晶体管）。

晶圆厂的结构

为了创建这种环境，当代半导体工场平时由四层组成。

晶圆厂的中枢是洁净室层；本色进行制造过程的工场车间洁净室下方是次级晶圆厂，一层或多层（平时为两层），其中包含支执洁净室操作所需的管说念、管说念、布线和开采。洁净室层上方是一个破绽空间，配有电扇和过滤器，用于将空气再轮回到底下的洁净室。

洁净室层包含工艺器用：实施上述各式操作的各个开采。器用范围从光刻机（如ASML的EUV机），到化学气相千里积机，到离子注入机，到用于清洁和蚀刻的“湿职责台”（wet benches）等等。这些机器由ASML 、Lam Research 、Applied Materials和Tokyo Electron等少数专科制造商制造，而且价钱极其力图。主要加工机器的资本可能为 500万至 1000 万好意思元，有些可能高达 1 亿好意思元。ASML 的顶端光刻机耗资近 4 亿好意思元。

这些器用可能实施一个特定的工艺方法（举例用于晶圆加热的熔炉）或集成多个单独的工艺方法。举例，诳骗材料公司制造机器其中包含多个layering和名义处理方法。为了分娩多量晶圆（当代微处理器或“逻辑”晶圆厂可能每月分娩 40000 至 50，000 个晶圆；分娩存储器的晶圆厂可能每月分娩 120，000 个晶圆），需要多量器用——1，000 个或更多。

工艺器用将按类型承接在一说念；这使得这些器用不错分享化学品和自然气管说念等的需求（要是某种化学品的扫数需求皆蚁集在一个场地，则运行管说念会更容易），况兼不错阻遏某些混浊物。由于铜杂质会对半导体行径产生不幸性影响，因此使用铜的工艺部分（举例千里积微不雅铜布线的器用）可能与工场的其他部分阻遏。HVAC 系统同样会在不同的过程区域之间进行阻遏。为了最大限定地减少柱子或承重墙等物体的扰乱，工场的屋顶平时由大型、长跨度的桁架撑执，从而使洁净室空间尽可能怒放。

好意思光晶圆厂洁净室地板上的工艺器用

正在建设中的英特尔晶圆厂，展示了横跨洁净室地板的大型桁架

洁净室的联想旨在最大限定地减少混浊。

半导体工场平时采选10 级或 100 级洁净室建造，这意味着每立方英尺空气中最多不错有 10 或 100 个 0.5 微米或更大的颗粒。比较之下，普通房屋每立方英尺空气中含有约 500，000 个颗粒，而外科手术室则含有约100，000 个颗粒。）为了终了这一目标，大型空气处理安装迫使空气通过洁净室天花板中的 HEPA 或 ULPA 过滤器。空气通过地板被拉入次级晶圆厂，然后通过天花板一遍又一随处再轮回。

晶圆厂的横截面

为了选藏洁净室外部的颗粒干与，洁净室相干于外部保执正压。将空气保执在所需的清洁度水平意味着每小时要更换数百次空气，而典型的办公楼每小时要更换 5-10 次空气。这种气流量，加上半导体洁净室的大小（大型晶圆厂可能为500，000-1000000平方英尺或更多），意味着晶圆厂的 HVAC 系统相等浩瀚。

除了这些大型暖通空调系统外，洁净室中使用的材料和工艺器用也需要经过特意联想，以选藏排放颗粒。为了最大限定地减少洁净室内东说念主员的混浊，职责主说念主员在干与之前在特殊的更衣区穿上兔子服，并经过特殊的清洁设施。

跟着半导体功能的缩小，洁净室的要求变得愈加严格。

在 20 世纪 80 年代，晶圆厂洁净室是按照 1000 级程序建造的，但到了 1990 年代，一些制造商正在建造极其洁净的1 级洁净室（每立方英尺空气中唯有一个 0.5 微米的颗粒）。由于达到这种清洁度水平的资本很高，因此制造商采选了将晶圆与洁净室其他部分阻遏的政策。

晶圆在称为 FOUP（front opening unified pods：前部怒放式调处盒）的密封盒中的工艺器用之间传输，况兼工艺器用自己是顽固和密封的。

举例，这家台积电晶圆厂是用 100 级洁净室建造的，但晶圆自己是在 0.1 级“小型环境”内处理的。通过采选微环境政策，晶圆厂梗概去除空气中更多的杂质，而无需净化洁净室中数百万立方英尺的空气。

自大带有器用小型环境的 FOUP 的绘画。

FOUP 使用自动材料处理系统在工艺器用之间出动。在大多数当代晶圆厂中，这由安装在天花板上的轨说念系统组成（尽管一些晶圆厂，尤其是较旧的晶圆厂，可能会使用基于地板的自动疏导车）。

特意联想的车辆在一个处理器用处拾取 FOUP，然后将其送到下一个处理器用处。多量的制造方法意味着晶圆可能需要数月的时辰才能完成扫数这个词过程。再加上晶圆厂每月分娩的多量晶圆，意味着在职何给定时辰，分娩过程中的各个点皆稀疏以万计的晶圆，在器用之间来回出动或储存起来恭候交替。

在分娩过程中，晶圆将在不同的分娩器用之间来回行驶数英里。因此，输送系统必须是无为的，领稀疏英里的轨说念和数百或数千辆输送车辆。它们必须经过悉心联想，以幸免出现瓶颈，让“流量”顺畅流动。

FOUP AMHS

当 FOUP 到达处理器用时，不错将其连气儿到特殊的装载点，况兼不错在机器的受控环境中自动处理晶圆。处理后，晶圆不错装载到另一个 FOUP 中并移至下一个器用。由于工艺器用可能无法立即可用，因此 FOUP 会一直储存起来，直到有空位并不错出动它们为止。储存中的 FOUP 偶尔会用氮气冲洗，以确保混浊物不会到达里面的晶圆。

但流氓颗粒（rogue particles）并不是惟一会阻挠制造过程的成分，工场的每个部分，从洁净室到基础，皆必须联想成最大限定地减少外部扰乱。所需的极高精度意味着工艺器用对振动极其敏锐（即使是巨大的杂音也会对制造过程产生负面影响），而晶圆厂的联想旨在最大限定地减少振动。

晶圆厂平时建在远离机场、铁途径、长途的高速公路和任何其他要害外部振动源的场地，而且晶圆厂配套设施自己也必须联想成摒除振动。（在一个案例中，弗成接管的洁净室地板振动是由距晶圆厂大楼 400 英尺的排气口引起的。）晶圆厂内多量可能产生振动的机械和开采（举例电机、泵、HVAC 系统，以至管说念中的流体流动）。工场必须将振动扬弃在感知阈值以下几个数目级，同期接收传统建筑 100 倍的机械能和 50 倍的气流。

不同建筑类型的振动要求。当代半导体工场中最敏锐的区域是按照 VC-D 或 E 要求以至更高的要求建造的

为了最大限定地减少振动，洁净室的地板平时建造为两到四英尺厚的深混凝土华夫板（deep concrete waffle slab ），由精细间隔的柱子撑执，以使其尽可能坚毅。楼板上方是了得的金属地板，允许管说念和电缆在其下方布线，并允许将加工器用放弃在单独的撑执基座上，以选藏工东说念主的脚步引起振动。

一些极其敏锐的开采，举例光刻器用，可能需要更严格的措施，举例不错感知并摒除任何特殊振动的主动减振器。在某些情况下，晶圆厂可能会建造一个结构阻遏断层，以保执洁净室地板与建筑物的其他部分以及它可能引起的任何振动物理阻遏。

具有主动减振功能的半导体器用基座，与高架洁净室地板分开

半导体工场结构阻遏中断的想法

理思情况下，选藏振动还意味着将您的工场放弃在地震不活跃的区域。当弗成能时（举例在台湾或日本），可能会采选其他措施，举例添加地震阻尼器或使用特殊的地基将建筑物与周围的泥土阻遏。

除了颗粒和振动除外，晶圆厂还需要摒除很多其他扰乱源。为了选藏光芒不测曝光光刻胶，光刻区域平时使用不会曝光化学物资的特殊黄光。地板等必须使用防静电材料，以选藏静电积聚。器用对电磁扰乱很敏锐（以至近邻电源线的磁场也可能导致开采中断），因此必须屏蔽器用并尽量减少 EMF 源。晶圆厂领有备用发电机和不远离电源，以防停电，开采的联想必须梗概移交公用电源的电压变化。（在提议这一要求的联想程序之前，公用电压变化导致半导体制造问题显著很常见。）洁净室中的温度和湿度必须保执在一个狭小的范围内，这给 HVAC 系统领来了进一步的职守。

出于安全目标，晶圆厂还不错联想为射频 (RF) 屏蔽。

在洁净室悉心限定的条款之下是次级晶圆厂：支执洁净室操作所需的一层或多层开采。举例，EUV 光刻机是一种卡车大小的复杂开采，但洁净室器用仅仅所需总开采的一部分。洁净室下方是驱动 EUV 系统的巨大 CO2 激光器，以及在工艺室内产生真空所需的泵。很多其他工艺器用，举例离子注入机和溅射机，也需要真空，大型晶圆厂的子晶圆厂可能稀疏千个真空泵。

通过Crystal5D Technologies渲染下方子晶圆厂中带有支执开采的工艺器用

次级晶圆厂亦然工艺器用所需的很多化学品的存储和输送形状（尽管一些化学品，特别是剧毒化学品，将存储在工艺器用内以最大程度地减少透露风险，而其他化学品将存储在工艺器用外）很棒的建筑）。半导体工场使用多种化学品，包括氮气（用于净化和清洁 FOUPS 和工艺器用）、氧气（用于氧化炉和减排开采）、氩气（用于等离子体反馈）、氢气（用于 EUV 机器）清洁）等。使用的化学品温和体的数目以及产生的废气量需要多量的管说念，有些管说念的直径可达十英尺。而且这些化学物资必须极其皎洁，在某些情况下纯度可达 99.9999999%。

半导体气体

子晶圆厂中的管说念

工场中使用的很多化学品，举例用于掺杂的磷化氢和砷化氢，皆具有剧毒。其他化学物资，举例某些 CVD 工艺中使用的硅烷，是自燃的（这意味着它们会在空气中自燃。）一种化学品，用于清洁 CVD 室的三氟化氯，毒性很大，很容易自燃（它梗概使潮湿凝结）着火的沙子），一些化学家断绝使用它。由于这些化学品具有危境性，因此需要特殊的处理和透露检测系统、备用电源系统以及特意联想的消防系统。

次级晶圆厂还包含用于处理工艺器用产生的各式副居品的排气系统。为了选藏副居品（特别是氨）互相背应，必须使用多个单独的排气系统。很多过程需要减排开采（将烧掉任何无益副居品）或洗涤器往复除无益物资。该开采可能安装在加工器用自己上，或者是蚁集排气系统的一部分。

除了化学品处理和排气开采外，副晶圆厂还包含配电箱、变压器、电扇、空气处理器、冷却器、射频发生器、热交换器以及保执晶圆厂器用运行所需的扫数其他开采。子晶圆厂平时分为“洁净”子晶圆厂（来自洁净室的空气再轮回）和其下的单独“脏”或公用子晶圆厂。

诚然次级晶圆厂的限定水平不错有所减轻（工东说念主不需要在其中穿兔子服），但仍必须尽量减少变化和潜在的扰乱。即使电压、压力或振动的微小变化，或者管说念发出的最小颗粒，也会对制造过程产生负面影响。

终了这一目标意味着次级晶圆厂开采的制造必须比传统制造愈加严格的要乞降更严格的衙役。管说念、泵和其他物料搬运开采等均采选不锈钢和聚四氟乙烯涂层。管说念里面必须进行电解抛光，以选藏颗粒排放或为混浊物聚积提供形状，况兼管说念必须使用特殊的轨说念焊合方法连气儿，以选藏透露或混浊。

平时，次级晶圆厂开采和材料自己必须使用特意的制造设施在洁净室中制造，并用塑料袋双层包装输送到职责现场，以选藏输送过程中受到混浊。扫数化学品温和体管说念和处理系统的联想必须梗概提供安稳、不远离的物料流；即使压力的微小变化也会对分娩过程产生“不幸性”影响。

晶圆厂中使用特氟龙涂层

在次级晶圆厂除外，还需要很多其他设施来支执洁净室操作。将重型加工器用移入洁净室需要梗概举升数万磅的工业电梯。晶圆厂使用多量的氮气和氧气（大型逻辑晶圆厂每小时可能使用 50，000 立方米氮气），因此晶圆厂平时会在现场配备空气辩别开采，产生氮气、氧气和氩气等气体。同样，晶圆厂将使用多量超纯水进行晶圆清洗和 CMP，并使用旧例水用于冷却器等工艺冷却。一座大型工场每天不错使用数百万加仑的超纯水，绝顶于一个领有 50，000 东说念主的城镇的水量，而分娩超纯水需要领有我方的专科工场。

与晶圆厂的其他方面一样，跟着功能的缩小，对超纯水的要求也变得愈加严格。其他晶圆厂支执开采包括汽锅、冷却器、济急发电机和废水处理。

超纯水分娩工艺

扫数这些开采和过程皆消耗多量动力。一座大型晶圆厂可能需要 100 兆瓦的动力，或大型核反馈堆容量的 10%。大部分能量由工艺器用、HVAC 系统和其他加热/冷却系统使用。对电力和水的需求相等严重，以至于当当地公用管事公司无法保证供适时，一些工场被取消或搬迁。为了确保工场保执顺应的条款，使用了数万个传感器来监测颗粒水平、压力和杂质水对等。

建设晶圆厂

大型晶圆厂将领稀疏十万平方英尺的洁净室，况兼该设施可能占地数百英亩。建造它需要数万吨结构钢和数十万码混凝土。英特尔声称其工场使用的混凝土是哈利法塔的两倍，金属的使用量是埃菲尔铁塔的五倍。

将这种材料以必要的精度水吉利装到位需要数千名经过特意培训的建筑工东说念主。

英特尔在马格德堡的新工场瞻望在岑岭期需要卓越 9，300 名工东说念主，而台积电在亚利桑那州建造的新工场则需要12，000 名工东说念主。工东说念主必须校服特意联想的“清洁施工”条约，以保执材料清洁，最大限定地减少颗粒侵入，并确保洁净室在完工后梗概凯旋运行。

在某些情况下，这意味着使用开采“吃掉”焊合烟雾，以及在现场切割的任何物体的边际涂上环氧树脂漆以选藏颗粒排放。为了知足所需的清洁度和精度水平，管说念和机械开采可能会在现场预制，然后委派和安装。为了匡助明确要求，半导体行业协会SEMI发布了相干设施联想和开采分娩各个方面的多量程序和联想指南。

一朝工场好意思满，洁净室不错保执正压（称为“排污”），就不错安装工艺器用。开采可能会分红很多单独的部件到达，需要漫长而仔细的拼装过程——ASML 的一台先进 EUV 机器“装在 40 个货运集装箱中，溜达在 20 多辆卡车和三架货机上。”

咱们还必须阻挡处理器用：分娩器用的敏锐性意味着开采掉落或碰撞可能会导致延误和数百万好意思元的维修用度。一朝安装了器用，晶圆厂可能需要六个月到一年的时辰才能达到可接管的工艺良率。

尽管晶圆厂鸿沟浩瀚且复杂，但其建设速率却惊东说念主地快，平均粗拙需要两到四年。这与其他大型交易建筑技俩并莫得什么不同，而且比其他一些严格限定的过程设施（如核电站）要快得多。

然则，在好意思国，晶圆厂的建设速率比寰宇其他场地要慢。

好意思国晶圆厂建设时辰从 1990 年代的平均 650 多天增多到 2010 年代的平均 900 天以上，而亚洲国度的平均建设时辰约为 600-700 天，部分原因是环境审查经过日益严格。好意思国晶圆厂的建形资本也比寰宇其他地区更高，测度贵出 30%（凭据英特尔）到四倍（凭据台积电）。

晶圆厂资本明细

建设晶圆厂如斯力图并不奇怪：它们浩瀚、复杂，况兼具有极其严格的性能要求。但晶圆厂的存在是为了为数千个工艺器用的运行提供必要的环境，而这些器用是迄今为止建造新晶圆厂最力图的部分。新晶圆厂粗拙 70-80% 的资本将用于其中的工艺器用。（这样作念的一个反作用是，升级现存晶圆厂以使用更先进的工艺节点所遽然的资本仅仅全新晶圆厂资本的一小部分。）

跟着时辰的推移，开采在晶圆厂资本中所占的比例约束飞腾。举例，20 世纪 80 年代中期的 DRAM 工场，设施和开采资本大致均等，但到 90 年代末，开采占据了资本的绝大部分。

DRAM 晶圆厂的建设资本与开采资本

关于建筑资本，咱们看到与单户住宅的资本有些访佛的笃定，包括结构、建筑饰面、现场职责和景不雅好意思化、作事和机械系统等技俩。主要区别在于，晶圆厂的机械、电气和其他作事所占比例要高得多。超纯水设施、多个排气系统和巨大的 HVAC 需求等意味着作事用度占新工场资本的近 2/3，而单个家庭住宅的资本还不到 20%。

就开采资本而言，最大的支拨平时是光刻机，其次是千里积、清洁和蚀刻开采。光刻机的资本平时测度为新晶圆厂资本的 20%，这意味着光刻器用的资本可能与扫数这个词晶圆厂设施自己的资本一样高。

跟着时辰的推移和晶体管的尺寸约束缩小，建造晶圆厂的资本也随之飞腾。

关于当代半导体工场来说，每个新工艺节点皆会使工场资本增多约 30%。这种增长有两个主要驱动成分：一是更先进的工艺节点需要更力图的开采。举例，ASML 的 EUV 光刻机比它们所取代的深紫外光刻机贵得多；第二个主要资本驱动成分是，跟着晶体管约束缩小，制造它们需要更多的掩模和工艺方法。

国内破处

将晶体管连气儿在一说念需要更多层的金属线，而FinFET （由从晶圆名义了得的“鳍”制成的晶体管）比它们所取代的更简便的晶体管需要更多的分层方法。（然则，EUV 暂时扭转了这一趋势，因为它不错在一个掩模中完成以前需要两个或多个掩模完成的职责，从而减少了工艺方法的数目。）更多的层数和更多的工艺方法意味着更多的开采：要是居品 A的制造方法是居品 B 的两倍，要是要保执产量水平不变，则需要两倍的开采来分娩。

但除了这两个成分除外，还有其他资本驱动成分。跟着半导体特征变得越来越小，用于分娩它们的硅晶圆也变得越来越大。

20 世纪 70 年代，芯片是在 50 毫米晶圆上分娩的，但如今的率先晶圆厂使用更大的 300 毫米晶圆（蓝本狡计过渡到 450 毫米晶圆，但从未实施），而更大的晶圆通常需要更力图的开采。举例，改用 300 毫米晶圆就需要更多地使用自动化材料处理开采，因为晶圆太重，无法用手在 FOUP 中佩戴。反过来，这些处理系统需要更大的结构和更高的洁净室天花板。

晶圆厂资本约束增多，导致半导体行业结构发生波折。当建造晶圆厂的资本较低时，任何芯片分娩商皆有才调领有我方的晶圆厂。但跟着晶圆厂资本的增多，由于资本力图，制造商运营顶端制造设施的职守变得越来越重，而领有产量来分担这些资本的制造商越来越少。

150 毫米晶圆厂的“有用鸿沟”约为每月 10，000 片晶圆，但关于 300 毫米逻辑晶圆厂来说，这一数字将跃升至 40，000 片晶圆。（内存晶圆厂将会更大，每月可分娩 12 万片晶圆。因此，唯有极少数公司（现在是台积电、三星和英特尔）尝试运营率先节点，行业已转向“无晶圆厂”在这种模式下，苹果和英伟达等公司联想我方的芯片，然后由台积电等“代工场”制造。通过汇聚很多不同芯片公司的订单，代工场不错达到职守顶端晶圆厂所需的鸿沟。

论断

当代半导体工场的大宗开支归结为两件事的交叉点：

一是半导体工场是大鸿沟分娩工场，当代“gigafabs”每年分娩数亿个芯片，每个芯片包含数十亿个晶体管。

二是分娩半导体需要险些崇高莫测的精度。一年 365 天、每天 24 小时、重叠且可靠地在原子水平上主宰多量物资是一项极其力图的任务。

https://www.construction-physics.com/p/how-to-build-a-20-billion-semiconductor

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