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芯片:作为目前世界最先进的科技产业,基本上每一个国家都很重视,不管是研发、还是生产都是恐怖片最重要的组成的部分,而我们国家研发来说是相对比较领先的,但是生产是完全跟不上的,这就和题目是一样的,小小的芯片是怎么组装上去的,
在这就必须提到一个设备,那就是光刻机,当然靠一个光刻机是不可完成,这还包括其他的一些辅助帮助,比如:抛光,光刻、缴光、显影、腐蚀、封装等等,要完成这些所有的工程之后才能真正达到一个标准。
而在组装的过程中需要用的材料也是非常多,比如:晶硅、PCB、半导体材料,隔热膜等等,到达最后才有可能按照生产的工艺再将他组装成功。
为什么我们国家一直设限生产芯片,就算其他材料都能满足,但是没有光刻机,也就没有办法完成最后一步。由于光刻机价格很贵的,并且是有技术的封锁的,不是有钱就能买得到的,也正是因为这一点我们国家手机芯片的制造才受到外国的限制,只能自己研发,但是自己不能制造。
这个晶体管本身一个两个并没有什么大的用处。但是晶体管的集成程度有这样一个规律,每隔一年。他的集中程度就会上升20%,从老美1945年发明世界上第1台电脑开始的,随后的20年到30年逐渐引入晶体管的这个概念,一些制造这些东西的人就逐渐发现了这个规律,而且到现在它这个增长的速度似乎变得越来越快,比如我们手机所说的8纳米7纳米5纳米,这就是它的集中程度,数字越小代表它的精度越高,性能越强。
正常来说分以下几步走:
第一步:制作晶圆
1)硅提纯
沙子的主要成分是二氧化硅,而芯片制造要用到其中的硅元素,也就是单晶硅。这一步需要将硅元素从沙子中提取出来。
目前,主要的提纯手段是将沙子和焦煤放到1800℃的环境中,二氧化硅还原成纯度为98%的单质硅,然后用氯化氢提纯出99.99%的多晶硅,接着进一步提纯99.999999999%的单晶硅。
2)制作硅锭
目前,制作硅锭的方法主要是直拉法,高温液体的硅元素中加入籽晶,提供晶体生长的中心,晶体慢慢向上提升,同时以一定的速度绕着升轴旋转,单晶硅锭就这样形成了。
3)切割硅锭
圆柱体的硅锭还不能用来制作芯片,需要将硅锭切割成1mm厚的圆片,也就是我们常说的晶圆。切割工具是“钻石锯”,价值连城啊。
晶圆上还有一个缺口:第一是为了定出晶圆的方向,第二,为了运输拆卸方便。
4)研磨晶圆
切割出的晶圆表面不光滑,需要仔细研磨,打磨因切割造成的凹凸不平的表面。研磨后,还需要用特殊的化学技术进行清洗,最后抛光,到了这一步,晶圆才制作完成
第二步:前工程
前工程的主要流程是在晶圆上制作出带有电路的芯片,其中要用到光刻机,世界上最先进的EUV光刻机,只有荷兰的ASML能够生产。
1)涂抹光刻胶
这一步将光刻胶涂抹到晶圆上,光刻胶是一种感光材料,受到光线照射后会发生化学反应。将光刻胶滴到晶圆上,通过高速旋转均匀一致的覆盖到晶圆上,呈一层薄膜。
2)紫外线照射
这一步进入光刻工艺,需要用到光刻机,是整个CPU制作环节,最复杂、成本最高的。将紫外线通过预先设计好的电路图案磨具,照射到光刻胶上,达到电路图复制的目的。
3)光刻胶溶解
这一步主要是为了溶解经过紫外线照射的光刻胶,未被照射的部分会完整保留下来。溶解后完成的晶圆经过冲洗、热处理后进入下一个环节。
4)蚀刻
将晶圆放到特殊的蚀刻槽中,通过药剂的腐蚀作用,将暴露在药剂中的晶圆进行蚀刻。蚀刻完成后,整个晶圆的首层电路图就完成了。
目前,大多数的芯片晶体管采用了FINFET工艺,单层处理可能无法做出所需要的图案,要经过多次的“涂胶-光刻-溶解”,才能获得最终需要的3D晶体管结构,
5)离子注入
蚀刻完成的晶圆,不具备芯片所需的电气特性,需要强行将离子注入到晶圆内部,用于控制内部导电类型。经过这一步,晶圆内部的某些硅原子替换成了其他院子,产生了自由电子和空穴的性能。
6)绝缘层处理
到了这一步,晶体管的雏形基本完成,利用气相沉积法在硅晶圆的表面沉积一层氧化硅膜,形成绝缘层。
7)沉淀铜层
将铜均匀的沉积到绝缘层,下一步可直接在铜层上布线。需要再次用到光刻机,对铜层进行雕刻,形成源极、漏极、栅极。
8)构建互联铜层
这一步主要是将晶体管连接起来,也需要经过铜层沉积-光刻-蚀刻开孔-沉积绝缘层等步骤,最终形成非常复杂的多层电路网络。实际最终完成的电路结构会高达几十层。
第三步:G/W检测
G/W检测,用于检测晶圆上的每块芯片是否合格。通过探针,输入信号,检测输出端的信号,确定芯片是否合格。
第四步:后工程
1)晶圆切片
使用0.2mm的“钻石锯”对晶圆进行切割,切割后的每一小块晶圆(指甲壳大小)都单独成为一个CPU内核,这个过程会有很多破损的芯片,被直接丢弃。
2)内核装片固定
切割完成的芯片,也就是CPU内核,无法直接使用,需要将内核固定到基片电路。
第五步:筛选封装
1)封装
这一步给固定好的内核装片,安装一个可以使用的外壳,这个外壳不仅提供固定作用,还可以保护芯片,封装基板的触点与内核装片一一对应,比如intel的LGA封装技术。
2)等级筛选
新的CPU诞生了,还面临最后一道工序,需要测试每一片CPU的稳定工作频率、功耗、发热情况,在这个过程中,如果发现一些硬件方面的取消,会采用硬件屏蔽措施对CPU进行阉割,将CPU分为不同的等级,intel的i3、i5、i7就是这样产生的。
3)装箱零售
CPU经过等级筛选后,就进入装箱包装的环节了。有些进入零售渠道,有些打包出售给联想、戴尔、惠普等主机厂商,称为“散片”。
上面五步完成这后,就算是真正的能完成的芯片的生产,同时也算是把上千万个晶体管给全部安装上去了。总之,芯片的制造是集多种工艺大成,我国也投入了大量的资金用于研发芯片,但是整个半导体生态链的完善,需要不断积累的过程,并不是钱能能够解决掉的问题。
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