因?yàn)槟柖傻穆暶谕猓由线^去這些年包括三星,、臺(tái)積電,、Intel和英偉達(dá)等公司的推動(dòng)，科技界甚至終端消費(fèi)者都對(duì)28nm,、10nm、7nm和5nm等先進(jìn)工藝制程有了或多或少的了解,。因?yàn)檫@些工藝推動(dòng)的產(chǎn)品是科技設(shè)備“大腦”的重要構(gòu)成,，這些先進(jìn)工藝受到行業(yè)的一致關(guān)注是無可厚非。
其實(shí)在芯片的世界里,，不僅有這些廣為人知的先進(jìn)工藝制程（或者說邏輯制程）,，還有其他不少鮮為人知但又同樣重要的工藝技術(shù)。而且從某個(gè)角度看,，正是因?yàn)橛辛诉@些特種工藝制程的補(bǔ)充,，才能制造出多種多樣的芯片，讓整個(gè)科技世界變得豐富多彩,。特種工藝就是其中最特殊的一個(gè),。
什么是特種工藝？
關(guān)于什么是特種工藝,，無論在互聯(lián)網(wǎng)還是在百科全書中,，都找不到一個(gè)官方定義,。工程師們也能給出一百種不同的答案。而根據(jù)一位從事特種工藝多年的專家介紹,，那些在行業(yè)上沒有統(tǒng)一的制程規(guī)則或構(gòu)架可遵循的主流制程工藝,，或者擁有不同于硅的工藝，我們都可以稱之為特種工藝,。
他舉例說到,，包括CPU、GPU和存儲(chǔ)芯片在內(nèi)的邏輯芯片,，其本質(zhì)都是對(duì)0和1的邏輯處理,，核心是通過多個(gè)晶體管實(shí)現(xiàn)。為此,，如何在摩爾定律的指導(dǎo)下,，于單位面積晶圓上集成更多的晶體管，就成為了生產(chǎn)這些芯片的的晶圓廠追逐的目標(biāo),。換而言之,，這些晶圓廠為了實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)，他們所選擇的路線也非常相似,，差別就在于他們?nèi)绾卧谕瑯拥囊?guī)則和衡量標(biāo)準(zhǔn)下,，將相關(guān)的數(shù)字改善。如下圖所示,，我們很容易地從各個(gè)不同的參數(shù),，去衡量這些工藝的水平。
但是,，特種工藝所面對(duì)的不是成千上萬個(gè)簡(jiǎn)單的做0和1邏輯處理的開關(guān)晶體管,，而是一個(gè)完全不同的世界。我們常見的包括PA（功放）,、Filter（濾波器）在內(nèi)的射頻器件,、MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）器件和光電器件，面對(duì)的都不是非0即1這個(gè)簡(jiǎn)單邏輯的物理參數(shù)世界,，它們就是用所謂的特種工藝來制造的,。在這些工藝中,，很多邏輯工藝制程所遵循的規(guī)則,，在這里就不適用了。
以一個(gè)RF SOI射頻器件開發(fā)為例,，其射頻特性不僅僅取決于器件本身,，而取決于其外圍匹配和封裝后的整體系統(tǒng)表現(xiàn)，首先需要經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計(jì),、工藝分析,、電路和版圖設(shè)計(jì),、流片加工和裸片評(píng)估等過程，之后再結(jié)合封裝分析,、封裝設(shè)計(jì)和封裝開模,，打造出一個(gè)封裝好的芯片，然后再經(jīng)過封裝后篩選測(cè)試,、性能及可靠性驗(yàn)證,，才能最終送樣及設(shè)計(jì)定型。
來到RF-SOI,，這是一個(gè)始于生產(chǎn)一種特殊高電阻率基板的技術(shù),。在襯底中，晶圓與掩埋氧化物層之間夾有trap-rich層,。trap-rich層可以恢復(fù)襯底中的高電阻率屬性,，從而降低插入損耗并提高系統(tǒng)的線性度。與GaAS等工藝相比,，RF-SOI擁有低功耗和易于集成等優(yōu)勢(shì),，但在擊穿電壓方面還面臨著挑戰(zhàn)。為此,，如何提升其擊穿電壓,，以實(shí)現(xiàn)更好的線性度和大信號(hào)處理能力，就成為開發(fā)者要面對(duì)的首要問題,，也體現(xiàn)不同RF-SOI工藝供應(yīng)商的價(jià)值,。
同樣，特種工藝需要在與先進(jìn)邏輯制程不同的某一專注領(lǐng)域的長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累,，對(duì)供應(yīng)商有更多的考量,。以MEMS器件為例，在MEMS制造中,，工藝尺寸縮小與流程復(fù)用很多時(shí)候并不適用,，因?yàn)槠涫欠菢?biāo)準(zhǔn)化的，在加上現(xiàn)在MEMS芯片會(huì)與ASIC封裝到一起,，這就給相關(guān)開發(fā)者提出了更大的難題,。
這也是為什么有些專家說，即使看著別人做,，也不知道別人為何能做好某些特種工藝芯片的原因,。
特種工藝為何重要？
世界不只是零和一,，世界是多樣的,，是曲線的，是“模擬的”。如果說大多數(shù)邏輯工藝生產(chǎn)的芯片是解決數(shù)字世界的0和1數(shù)據(jù)處理問題,，那么大多數(shù)特種工藝生產(chǎn)的芯片都是為了把模擬的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字世界的數(shù)據(jù),。例如今年年初，因?yàn)镃ovid-19爆發(fā)而帶動(dòng)的額溫槍需求,，背后所需的熱電堆傳感器,，就是特種工藝的“結(jié)晶”。以管窺豹,，我們就可以洞悉這些工藝為何如此重要,。
從市場(chǎng)現(xiàn)狀看來，近年來,，隨著5G的到來和物聯(lián)網(wǎng)的繁榮,，市場(chǎng)對(duì)射頻前端和傳感器等使用特種工藝制造的芯片有了更廣泛的需求。
在射頻前端方面,，根據(jù)法國 Yole Development 報(bào)告預(yù)測(cè),，移動(dòng)設(shè)備以及 WiFi 連接部分整體射頻前端市場(chǎng)規(guī)模將從2017年的150億美元增長(zhǎng)到2023年的350億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到 14%,。其中占射頻前端市場(chǎng)最大份額的濾波器從 2017-2023 年將增長(zhǎng)3倍左右,，復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到 19%；在MEMS傳感器領(lǐng)域,，Yole數(shù)據(jù)顯示,，這個(gè)市場(chǎng)的規(guī)模將從2019年的169.6億美元增長(zhǎng)到2024年的185.1億美元。
以上僅為特種工藝芯片的冰山一角,，規(guī)模就已經(jīng)這樣巨大,，整個(gè)市場(chǎng)的規(guī)模可想而知,。近期,，美國加強(qiáng)了對(duì)特種工藝工廠SkyWater的支持，特種工藝的重要性不言而喻,。
SkyWater是一家位于明尼蘇達(dá)州的半導(dǎo)體代工廠,。與臺(tái)積電和三星這些在先進(jìn)工藝上競(jìng)爭(zhēng)的代工廠不一樣，SkyWater目前最先進(jìn)的工藝僅為90nm,，這主要是因?yàn)樗麄儚氖碌牟⒉皇莻鹘y(tǒng)的CMOS工藝,。該公司的業(yè)務(wù)主要分兩塊，一部分是抗輻射工藝和相關(guān)IP,；另一部分是下一代先進(jìn)半導(dǎo)體工藝的研究,，如碳納米管和超導(dǎo)集成電路。
在美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）高達(dá)15億美元的“電子復(fù)興計(jì)劃”（ERI）中,，SkyWater在碳納米管研究方面扮演了重要角色,。麻省理工學(xué)院（MIT）教授Max Shulaker最近發(fā)表在《自然·電子學(xué)》的一篇探索集成電路未來發(fā)展的論文的主要內(nèi)容是,，SkyWater在碳納米管工藝上首次實(shí)現(xiàn)了在大規(guī)模碳納米管晶圓上的大規(guī)模加工加速,，可以將原來需要幾天的工藝縮短到半小時(shí)以內(nèi),，從而大大降低了碳納米管門檻。由這個(gè)例子也可以看到特種工藝制程的重要意義,。
大陸特種工藝如何突圍,？
細(xì)看現(xiàn)在的特種工藝IDM或者工廠，做得最好的在中國臺(tái)灣和美國,、以色列等地,。例如在砷化鎵代工方面，中國臺(tái)灣的穩(wěn)懋和宏捷科領(lǐng)先全球,；在RF-SOI代工方面,，以色列的TowerJazz優(yōu)勢(shì)明顯；再加上來自美國和歐洲有如Qorvo,、Skyworks和博世等一批精于特種工藝的IDM,。從這些企業(yè)的市場(chǎng)表現(xiàn)，我們可以看到行業(yè)領(lǐng)頭羊在特種工藝上的巨大優(yōu)勢(shì),。
反觀國內(nèi),，過去基本是一片空白，但經(jīng)歷了近些年的發(fā)展,，也有一些IDM和代工廠開始在這些領(lǐng)域發(fā)力,。與集成電路很多領(lǐng)域一樣，需要有持之以恒的投入和人才供應(yīng),，才能保證本土特種工藝的穩(wěn)健發(fā)展,。
期待在不久的將來，我們能看到一批本土特種工藝企業(yè)邁上新臺(tái)階,。