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人人都看懂,其实造芯片的过程,就是做披萨!

2019-07-08来源:小萌情感小站

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人人都看懂,其实造芯片的过程,就是做披萨!


芯片是电子设备的“灵魂”,是信息时代的“基石”,其制造技术的高低直接衡量科技水平的高低。只有把关键核心技术牢牢掌握在自己手中,才能从根本上保障国家经济安全、国防安全和其他安全。

张江科学城作为上海科创中心建设的核心区域,正在攻坚“中国芯”的路上砥砺前行、奋勇前进。

今天,科娃就和大家一起来了解一下芯片制造的奥秘。

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故事从一张披萨讲起

大家都知道,芯片制造是一个点沙成金的过程,从沙子到晶圆再到芯片,价值密度直线飙升,因其制造工艺非常复杂,一条生产线大约涉及50多个行业、2000-5000道工序。

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有没有被复杂的制作工艺吓到? 但其实,制造芯片就像做披萨。

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披萨饼胚——晶圆

要烘焙一张松软可口又浓香满溢的铁盘披萨,最基础的事自然是制作饼胚了。

光有面粉和水还不够,和面很重要,水的多少、揉压的手法和力道、甚至是醒面和擀制面胚都需要精心对待。

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制作晶圆也一样,只不过是把面粉换成了沙子

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普通的沙子约有25%的硅,经过多个步骤纯化后,“和”成一大盆超高纯度的多晶硅液体。

之后,用一颗单晶的硅种和液体表面接触,一边旋转一边缓慢向上拉起,“面盆”里的硅原子就跟着硅种排着队离开液面,凝固后排列整齐的单晶硅柱便完成了。

通过高精度的切削加工和打磨抛光后,单晶硅柱就被切成一片片的薄饼,也就是晶圆,成了制造芯片的原料。

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最早期的晶圆因为技术的关系,直径大约只有2英寸,而今天最先进的晶圆厂则已经可以处理12英寸的晶圆了。

晶圆直径越大,切割时浪费的部分就越少,而且每一颗芯片的单价就越低。

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想吃什么口味——芯片设计

披萨的种类有很多,每个人喜欢的口味也不尽相同,在制作之前,要先弄清楚客户需要什么口味,准备相应的工艺。

芯片制造也一样,造芯片首先要设计芯片。

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芯片设计不是单纯地堆晶体管就能设计出好芯片,就像披萨不是多放奶酪就一定会好吃。

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一个优秀的芯片设计师,必须要掌握扎实的半导体器件知识、生产工艺知识、信号系统知识等,要对电路的整体功耗、时序、面积有很深刻的了解,能制作符合设计要求的高精度低面积版图,可谓面面俱到。

就像一个“老厨师”,不仅要熟悉食材,更要有很强的分析问题、解决问题的能力,并且在工作中会不断给自己充电,不断创造出“新食谱”。

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加料进烤箱

光刻+刻蚀+离子注入

放上番茄酱、奶酪等各色食材的披萨,进烤箱转一圈就能出炉了。

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而芯片不是在一个烤箱里就能制造出来的,需要在不同烤箱里经过多道工序加工。而且,制造芯片和我们想象得不一样,不是”刻”,而更像是“印”。

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我们来看看大致步骤:

第一个烤箱,光刻机:

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先在晶圆表面覆盖一层薄薄的感光材料,利用光刻机将设计好的电路结构转印到感光材料上。

我们来放大看看:

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紫外光透过掩模照在光刻胶上,形成了集成电路图案。

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光刻机是芯片制造的核心设备,可以看作在晶体上写字的“笔”。

过去最先进的光刻机用的是波长193nm的深紫外光“笔头”,然而英特尔、台积电想要生产的最先进的芯片,制程已经小到了7nm,字已经比笔头还小了,急需一支笔头更细的笔。

接替深紫外光的“超细笔头”就是波长仅有13nm的极紫外光(EUV),但EUV的能量破坏性极高,要驾驭这支笔,所需要的零件、材料,样样挑战人类工艺的极限。

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目前最先进的EUV光刻机,全球仅有ASML公司能够生产,每台EUV光刻机售价都超过1亿美元,并且要排队等!

第二个烤箱,刻蚀机

被紫外光照到的光刻胶溶解,留下的图案和掩模一致。使用化学物质或其他手段溶解掉暴露出来的晶圆部分,剩下的光刻胶保护着不该刻蚀的部分。刻蚀完成后,光刻胶的使命宣告完成,全部清除后就可以看到设计好的电路图案。

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第三个烤箱,离子注入机

纯硅的导电性极弱,必须在晶圆里注入微量的不纯物质,使芯片内具有导电性,通常是砷、硼、磷等。离子注入,就是在真空系统中把要掺杂的原子加速为30万千米每小时的离子流,注入到硅片中去,从而在一定区域形成特殊注入层,改变这些区域的硅的导电性。

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除了这三个主要工序外,还有检测、清洗、金属化等等,几十道工序循环往复几十上百遍,最后在晶圆表面形成几百层的复杂结构。

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(一块CPU的截面图)

披萨切割打包——芯片切割封测

披萨切好之后,就可以打包啦~

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在光刻时,我们已经按照芯片的边缘尺寸划分了区域,所以沿着区域边缘完成切割就可以了。当然,这也是一个精度极高的机械操作过程,切割不当,芯片就会产生缺陷。

芯片封装就是“打包”,把脆弱的芯片装入保护套内,并提供芯片和其他元器件之间的接口,同时也为芯片散热。

封装好的芯片接下来还要做更进一步的检测和分级,等通过检测,厂商标好价,就是最终产品啦!

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目前,全球芯片仍以美、日、欧企业产品为主,高端市场几乎被这三大主力地区垄断。中国芯片市场全球最大、增长最快,但高端芯片领域对外依存度过高。

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