因?yàn)槟柖傻穆暶谕猓由线^(guò)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(wú)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(shuō)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(wú)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(méi)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(shuō)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(guò)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(wàn)個(gè)簡(jiǎn)單的做0和1邏輯處理的開(kāi)關(guān)晶體管，而是一個(gè)完全不同的世界。我們常見(jiàn)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(lái)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(kāi)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(guò)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(guò)程，之后再結(jié)合封裝分析、封裝設(shè)計(jì)和封裝開(kāi)模，打造出一個(gè)封裝好的芯片，然后再經(jīng)過(guò)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(lái)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(kāi)發(fā)者要面對(duì)的首要問(wèn)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(kāi)發(fā)者提出了更大的難題。

這也是為什么有些專家說(shuō)，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(shuō)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(wèn)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(lái)，近年來(lái)，隨著5G的到來(lái)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(guó) 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(guó)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(guó)國(guó)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(lái)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(lái)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(guó)臺(tái)灣和美國(guó)、以色列等地。例如在砷化鎵代工方面，中國(guó)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(lái)自美國(guó)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(guó)內(nèi)，過(guò)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(kāi)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(lái)，我們能看到一批本土特種工藝企業(yè)邁上新臺(tái)階。
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