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  • 若要构建一台电脑,你还得设计和制造出微小的处理器来,这些处理器必须能快速运算隐藏在数字行为背后海量的离散计算步骤,其运算速度要达到每秒30亿次。 其实归根结底,你还是需要去美国应用材料公司(Applied ...

    原文转自:http://www.systhinker.com/html/85/n-21185.html

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    如果你想写份邮件,检索一下网页的数据库,传输一段720p的小猫视频,或以60帧每秒的速度再现爆炸场面,首先必须得有台电脑。

    若要构建一台电脑,你还得设计和制造出微小的处理器来,这些处理器必须能快速运算隐藏在数字行为背后海量的离散计算步骤,其运算速度要达到每秒30亿次。

    其实归根结底,你还是需要去美国应用材料公司(Applied Materials)购置一套芯片加工设备,应用材料公司是半导体工业设备的主要供应商之一。

    应用材料公司的机器会对硅晶圆(如下图所展示的英特尔硅晶圆)进行一系列的处理:绝对真空,化学腐蚀,高能等离子体撞击和强烈的紫外线辐射等等,经过数百道分散的加工步骤以后,硅晶圆才会被打磨成CPU、存储芯片和图形处理器。

    这些加工过程对人体的危害很大,因此大多数工作都在密封室中进行,机械手臂会把晶圆从一个加工区移到另一个加工区。机器本身也是被置于洁净室中,洁净室中的净化空气(以及全身裹得严严实实的员工)使空气污染降至最低。要知道,你头发上的一粒灰尘就足以将一块价值500美元的CPU变成废品,因此这些高科技公司都非常希望能将这种损失降到最低。

    《连线》最近探访了应用材料公司位于加州圣克拉拉(Santa Clara)的梅登技术中心(Maydan Technology Center),这是一家最先进的无尘中心,应用材料公司专门在此开发和测试其加工机器。

    3600平方米的超净工作区和一块足球场差不多大,被分割成三个大区,每块区域中都塞满了应用材料公司价值数百万的机器,机器旁边摆满了管道、管线、配件、装满腐蚀化学品的储罐、工具箱和架起的巨大硅晶圆。进入工作区以前,你必须穿上特制的工作服,戴上面罩和护目镜,双层手套和鞋套。甚至连记者用来记录的笔记本也不准带进去,公司的工作人员给我们每人发了一本洁净室专用的笔记本和钢笔,都是包在收缩膜中经过特殊净化过的。

    这里并不是制造工厂,洁净室只是用来模拟机器的生产环境,在新工艺和工序投入实际生产线之前对其进行彻底检验。因此,它等同于为我们提供了一次极为难得的机会,去一睹尖端半导体的生产过程。

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    图片来源:Intel

    光掩膜(Photomask)

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    芯片制造的核心工艺是光刻技术(lithography),它类似于丝网印刷,后者是将油墨通过丝模压到棉质T恤上,而光刻技术是利用透过玻璃光掩膜的紫外线辐射到包裹着光阻剂(photoresist)的硅衬底上。

    紫外线的照射会化学性弱化光阻剂,并在硅衬底的表面留下图案。晶圆再经过化学浸浴,利用腐蚀剂去蚀刻暴露出来的硅基质,同时那些覆盖有光阻剂的区域依然完好无损。

    去除光阻剂以后,其他机器会在蚀刻痕迹中填入各种各样的材料,如铜或铝,它们是构成处理器的组件之一。

    上图显示的即为一块光掩膜,它上面印的图案会被印到晶圆上。

    沉积,蚀刻,再重复

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    晶圆被送到制造区以后还需要进行250道不同工序的加工,这些工序包括不同材料的膜沉积,和将沉积膜蚀刻成晶体管和铜线的形式。

    上图中的右图是一台应用材料公司生产的Endura机械系统。Endura平台是一种模块化的可配置系统,用来在晶圆上沉积金属和金属合金。用用材料公司的工作人员告诉我们,过去20年所出产的每块芯片都用到了Endura平台。

    左图是一套Applied Tetra III高级掩膜蚀刻系统,如果掩膜板制造商要开发和生产45纳米的掩膜,就必须得使用这套设备。

    应用材料公司现在正在致力于开发和测试新型的制造设备,因此他们在相关研究上投入了巨额资金。2009年,公司在研发上的支出为9.34亿美元,占其销售收入的20%。

    目前最先进的芯片制造工艺为30纳米,这意味着芯片元件的平均尺寸为300亿分之一米。

    芯片制造商们现在致力于制造更小的22纳米芯片。

    某些芯片元件的深度比其宽度要大得多——某些时候,深度与宽度之比达到了60比1,这种要求增加了加工的难度,它意味着蚀刻系统必须以极高的精度在硅晶圆上制造出极深极狭窄的纳米级沟道来。

    光刻室沐浴在黄色的灯光中,以避免对光掩膜中使用的紫外线造成干扰。

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    极度真空

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    上图中,一位技术员正在Endura系统的触摸屏界面上进行操作。

    右边是一台大型的镀银泵,用于在机器内部创造真空——其真空度会低至10的负12次方个大气压(相比之下,地球上方200公里处,即航天飞机所在位置的真空度才达到10的负10次方个大气压)。

    无金属过程

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    图中这台Centura机器右侧的银色金属装置是一台分批装载机,用来给堆积的晶圆迅速减压,再把它们送入机器进行加工。

    绿色的“非金属添加工具(metal free tool)”标志意味着硅晶圆必须得经过这台机器的处理以后,才能去添加铜质电路。铜是一种污染物,会对非金属加工过程造成混乱,因此用于添加铜质电路的机器需要被仔细的隔离。

    前开式标准晶圆盒(FOUP)

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    过去几十年,随着晶圆尺寸的不断增加,芯片制造商们可以利用单片晶圆上制造出更多的芯片。2000年,半导体工业的晶圆标准被定为300毫米。

    为了简化运输和尽可能降低被污染的风险,芯片制造商利用“前开式标准晶圆盒”即所谓的FOUP来搬运晶圆。每个无尘超净的晶圆盒中可放置25块硅晶圆。

    FOUP可以对接在大多数应用材料机器系统的前端,机器可以将晶圆一片片的吸进去,自动进行加工。

    自动操作和存储

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    装满硅晶圆的FOUP重量可达9公斤,因此自动化操作就成了洁净室设计的一项重要内容。

    应用材料公司的洁净室利用高架的机械单轨来搬用FOUP。在上图中的密封室中贮存着700个FOUP(共有17500块晶圆),需要使用时,机械手臂会将晶圆盒从架子的任意一端移出,放到高架的单轨(图中未显示)上,由单轨输送至目的地。

    另有2800个FOUP被存储在主洁净室的下方。

    现代洁净室中的所有机器都是用来制造300毫米硅晶圆的。下一代的芯片将利用450毫米的硅晶圆进行生产,面积的扩大将会产生更多的规模效益,但同时也意味着芯片制造公司需要对所有的机器设备进行调整,因此很多公司不愿接受新标准也在情理之中。

    应用材料、因特尔、AMD和其他相关公司正在进行旷日持久的谈判磋商,一旦协商成功,这种转变将不可避免。

    精密制造业

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    电脑芯片只有指甲盖般大小,却包含了数以百万计的晶体管,而将这些晶体管连接到其他工作单元、主板和电脑其他部分的线路更是不计其数。

    它们都集中在一块直径为30厘米的圆形硅晶圆上,每一块这样的晶圆可以被做成200块各自独立且完全相同的处理器。

    虽然洁净室异常干净,但污染还是避免不了,制造工人需要对每一块处理器进行测试,确保包含在其中的5亿个元件不会出现工艺缺陷,这些元件的尺寸只有30至45纳米。

    所以说,这些形态各异的机器每台都价值上千万美元(其实大多数都在几百万左右)也不足为奇了。一家成熟的芯片生产企业通常拥有上百台这样的机器,总价值将近几十亿美元。

    然而,如此巨额的费用在那些财大气粗的企业看来不过尔尔。2009年,全世界半导体产业的销售额为2263亿美元,像因特尔这样的行业巨头一直跻身于世界上最赚钱的企业行列。

    片刻休憩

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    在洁净室中全副武装的工程师和技术人员负责设置和监视机器内部的加工过程。但是机器一旦开动,基本上是全自动化的,除非需要进行人工检修。undefined

    光是穿上或脱下这一套多层的防护服就花费了我们十分钟的时间,一般有经验的工人几分钟就搞定了。而在洁净室中,更是麻烦不断,一般人只能在里面呆一会儿。undefined

    当机器在运行的时候,洁净室中的工作人员会利用笔记本干点别的,如分析数据、写报告和收发邮件什么的。undefined

    其实他们电脑中所用的芯片当初也是从这样的车间被打磨出来的。

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  • 芯片如何制造的?

    2018-05-17 10:55:02
    生成的“图样” 1, 芯片的原料晶圆 晶圆的成分是硅,硅是由石英沙所精练出来的,晶圆便是硅元素加以纯化(99.999%),接着是将些纯硅制成硅晶棒,成为制造集成电路的石英半导体的材料,将其切片就是芯片制作具体...

    芯片制作完整过程包括 芯片设计、晶片制作、封装制作、成本测试等几个环节,其中晶片片制作过程尤为的复杂。

    首先是芯片设计,根据设计的需求,生成的“图样” 

    1, 芯片的原料晶圆 

    晶圆的成分是硅,硅是由石英沙所精练出来的,晶圆便是硅元素加以纯化(99.999%),接着是将些纯硅制成硅晶棒,成为制造集成电路的石英半导体的材料,将其切片就是芯片制作具体需要的晶圆。晶圆越薄,成产的成本越低,但对工艺就要求的越高。

    2,晶圆涂膜

    晶圆涂膜能抵抗氧化以及耐温能力,其材料为光阻的一种,

    3,晶圆光刻显影、蚀刻

    该过程使用了对紫外光敏感的化学物质,即遇紫外光则变软。通过控制遮光物的位置可以得到芯片的外形。在硅晶片涂上光致抗蚀剂,使得其遇紫外光就会溶解。这是可以用上第一份遮光物,使得紫外光直射的部分被溶解,这溶解部分接着可用溶剂将其冲走。这样剩下的部分就与遮光物的形状一样了,而这效果正是我们所要的。这样就得到我们所需要的二氧化硅层。

    4、搀加杂质

    将晶圆中植入离子,生成相应的P、N类半导体。

    具体工艺是是从硅片上暴露的区域开始,放入化学离子混合液中。这一工艺将改变搀杂区的导电方式,使每个晶体管可以通、断、或携带数据。简单的芯片可以只用一层,但复杂的芯片通常有很多层,这时候将这一流程不断的重复,不同层可通过开启窗口联接起来。这一点类似所层PCB板的制作制作原理。 更为复杂的芯片可能需要多个二氧化硅层,这时候通过重复光刻以及上面流程来实现,形成一个立体的结构。

    5、晶圆测试

    经过上面的几道工艺之后,晶圆上就形成了一个个格状的晶粒。通过针测的方式对每个晶粒进行电气特性检测。 一般每个芯片的拥有的晶粒数量是庞大的,组织一次针测试模式是非常复杂的过程,这要求了在生产的时候尽量是同等芯片规格构造的型号的大批量的生产。数量越大相对成本就会越低,这也是为什么主流芯片器件造价低的一个因素。

    6、封装

    将制造完成晶圆固定,绑定引脚,按照需求去制作成各种不同的封装形式,这就是同种芯片内核可以有不同的封装形式的原因。比如:DIP、QFP、PLCC、QFN 等等。这里主要是由用户的应用习惯、应用环境、市场形式等外围因素来决定的。

    7、测试、包装

    经过上述工艺流程以后,芯片制作就已经全部完成了,这一步骤是将芯片进行测试、剔除不良品,以及包装。

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  • 英特尔:我们知道如何制造10纳米芯片  Intel: We know how to make 10nm chips 英特尔:我们知道如何制造10纳米芯片 (本文为翻译学习笔记之中英对照) 原文链接:...
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    最近两个月,因为一系列事情,大家对国内芯片产业的关注度日益增加。


    那么,什么是芯片?如何制造芯片?涉及到多少高科技?我国的芯片产业现状如何?又会有哪些挑战?


    在这里我们转发一下央视新闻的一个科普:


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    别看芯片的体积小,但制造难度非常大,其制作过程不亚于在指甲盖上建造一座城市。我们一般看到的芯片是这样的↓


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    但是在显微镜下,如同街道星罗棋布,无数的细节令人惊叹不已。


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    原来,指甲盖大小的芯片,上面却有数公里的导线和几千万甚至上亿根晶体管。


    为了让这些纳米级的元件“安家落户”,芯片在投入使用前,要经历上百道工序的纳米级改造……


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    芯片,以储量最丰富成本最廉价的二氧化硅为原料,成就了这个星球的科技之巅,颁一枚最佳逆袭奖,实至名归!


    那么,目前中国“芯”处在什么阶段?又面临着哪些问题?


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    640?

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