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小小芯片上的上千万个晶体管是怎么装上去怎么工作的?人类真牛啊?

2020-04-10  好汉勃士

    追本溯源,绝大多数的芯片是从沙子中来的。沙子是如何经历千辛万苦摇身一变,成为价格不菲的芯片呢?下文具体说一说芯片是如何制作的。

    沙子变成CPU要经历:制作晶圆、前工程、G/W检测、后工程、筛选封装这5个大的流程,细化之后又分为18个比较小的步骤,如上图所示,经过上述步骤后,沙子就变成了芯片。

    第一步:制作晶圆

严格来说,半导体的主要材料是硅元素,硅元素在地球上的储量仅次于氧元素,硅元素是制作集成电路最优质的原材料。可以说,沙漠这种能大量提供沙子的地方,已经成为优质硅元素的重要来源。

    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。

    下图显示了已经切割完成的晶圆,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,如下图所示,显示了一个晶体管的结构。

    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”。


    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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