
基本概念:什麼是 GAA?
GAA(Gate-All-Around)是新一代的場效電晶體(FET)架構,它是 FinFET(鰭式場效電晶體)的後續技術。
在 FinFET 中,閘極(Gate)包覆晶體管通道的三個面;
而在 GAA 中,閘極完全環繞(All-Around)通道(Channel),可提供更強的控制能力、抑制漏電、提升效能。
目前 GAA 的主流實現形式是 奈米片(nanosheet)或奈米線(nanowire) 結構。
GAA 的核心在於**「多層堆疊通道」與「閘極環繞形成」**。
製程主要包含以下幾大步驟:
🧩 1️⃣ 超晶格堆疊(Superlattice Stacking)
- 在矽基板上交替成長多層 Si(矽)/ SiGe(矽鍺) 層。
例如:Si / SiGe / Si / SiGe / Si … - 其中 Si 層將成為通道,而 SiGe 層在後續會被蝕刻移除,用來「釋放」奈米片。
📘 關鍵技術:外延成長(Epitaxy)
用於在晶圓上精準控制厚度(~5nm)與應力的矽/矽鍺層。
🔹 二、製程架構重點
雖然「GAA 環繞式閘極電晶體」屬於奈米級半導體製程,而「CNC 加工」屬於毫米~微米級精密機械製造,兩者聽起來差距很大,但實際上,CNC 在 GAA 晶片製造設備與材料工程中扮演極關鍵的支援角色。
以下是完整的關聯分析 👇
🧩 一、整體關聯圖:
GAA 製程 → 半導體設備 → 精密零組件 → CNC 加工製造
換句話說,GAA 晶片不可能直接用 CNC 做出來,
但製造 GAA 的設備、夾治具、材料處理模組都是靠 CNC 精密加工實現的。
🔹 二、關聯層級說明
1️⃣ 半導體設備中的精密零組件來自 CNC 加工
GAA 製程需要的核心設備(例如下列幾種):
設備類型 | 關鍵用途 | CNC 加工相關零件 |
---|---|---|
ALD / CVD 沉積設備 | 奈米級薄膜沉積 | 真空腔體、氣體流道板、溫控基座(chuck) |
蝕刻(Etcher)設備 | 奈米結構刻蝕 | 陶瓷隔熱環、陰極板、支撐環、電極座 |
CMP 平坦化設備 | 奈米表面修整 | 加壓頭、研磨盤支架、流體分配結構 |
量測 / 檢測設備 | 奈米對位與形貌分析 | 掃描平台、光學鏡筒座、振動隔離結構 |
👉 這些零件幾乎全數由 CNC 精密加工製作(搭配研磨與表面處理)。
2️⃣ GAA 製程對「精密度」要求極高 → 設備結構更依賴 CNC
GAA 的製程誤差容忍度是 奈米等級,例如奈米片厚度只有 5 nm。
這代表製程設備的結構精度要達到:
- 幾何公差 ±2 μm 以下
- 表面粗糙度 Ra ≤ 0.1 μm
- 熱變形控制在 ±0.001°C 等級
➡️ 因此,製造這些設備所需的金屬與陶瓷零組件,必須使用:
- 5 軸 CNC 精密加工(複雜腔體與流體結構)
- 超精密研磨 / 鏡面拋光
- 座標量測(CMM)驗證
3️⃣ CNC 加工材料與 GAA 製程材料工程息息相關
CNC 加工材料 | GAA 設備應用 | 材料特性關鍵 |
---|---|---|
鋁合金 (Al6061, Al7075) | 真空腔體、平台結構 | 輕量、高導熱 |
鈦合金 (Ti-6Al-4V) | 電極、支撐環 | 抗腐蝕、高溫穩定 |
不鏽鋼 (SUS316L, 304) | 氣體管路、結構件 | 耐化學蝕蝕 |
鎢、鉬、鉭 | 電極、等離子部件 | 高熔點、低蒸氣壓 |
陶瓷 (Al₂O₃, SiC, AlN) | 絕緣部件、腔體襯套 | 高耐蝕、絕緣、高溫穩定 |
這些材料都需要 CNC 高速切削、超音波加工、或雷射輔助加工。
4️⃣ CNC 在 GAA 製程設備開發階段的重要角色
在 GAA 製程的設備開發中,CNC 廠商會被要求:
- 快速製作 原型件 / 試產腔體
- 依照設計修改製程通道形狀(例如氣體流場)
- 配合真空測試與熱分析,做 設計迭代(Design Iteration)
➡️ 這類原型通常是單件製作、交期短、精度高,非常仰賴高階 CNC 加工中心與自動化量測整合。
5️⃣ GAA 製程帶動 CNC 精密加工的升級
GAA 技術推進 → 設備精度與穩定性需求提升 → CNC 加工技術升級:
技術挑戰 | CNC 加工應對 |
---|---|
奈米級製程對熱穩定性要求極高 | 使用溫控加工環境與低膨脹材料 |
超細氣體流道、微腔體結構 | 採用微銑削(Micro Milling)、電火花加工(Micro EDM) |
材料複合結構(陶瓷+金屬) | 採用超音波加工或雷射輔助切削 |
表面平整度需求提升 | 鏡面拋光、AFM 檢測支援 |
🔹 三、實際應用案例
領域 | CNC 產品 | 對應 GAA 製程 |
---|---|---|
真空腔體製造商(如環球晶、漢翔科技供應鏈) | CNC 加工鋁合金腔體 | 用於 ALD / CVD 沉積 |
陶瓷部件供應商(如京瓷、CoorsTek) | CNC 研磨 Al₂O₃、SiC 部件 | 用於蝕刻與 CMP 設備 |
半導體設備商(如 Applied Materials, Lam Research, Tokyo Electron) | 設備內部精密治具全由 CNC 加工製成 | 關鍵製程對應 GAA 結構形成 |
🔹 四、總結:
層級 | 關聯重點 |
---|---|
製程層(GAA) | 奈米級材料與電晶體結構 |
設備層 | ALD / CVD / Etch / CMP / Metrology |
機構層 | 腔體、治具、基座、流道結構 |
加工層(CNC) | 高精度金屬與陶瓷製造支援 |
👉 CNC 是支撐 GAA 製程設備實現精密控制的關鍵基石。
沒有高精度 CNC 加工技術,就無法製造出能穩定量產 GAA 晶片的設備。
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