1959 年,美國電子工程師杰克·基爾比成功制造出世界上第一塊芯片,將人類科技水平推向一個新的高峰。如今,芯片不僅在智能手機、電視機、計算機、汽車等設備上被廣泛應用,在軍事、通信等方面也不可或缺。
然而,一塊小小的芯片究竟是如何被制造出來的,你真的清楚嗎?
打造地基——晶圓
沙子中含有的硅元素是地球地殼中第二大組成元素,約占地殼總質量的25%。硅的化學性質穩(wěn)定,具有優(yōu)異的半導體特性,是芯片制造的“靈魂”原料。
芯片制造的第一步,就是要將從二氧化硅中提煉出的高純度硅晶體制成硅錠,再將硅錠切割成圓盤,并將其拋光后形成晶圓,晶圓相當于芯片的“地基”,芯片就是以晶圓為“地基”,再將所需的電路和器件“建”在上面。
知識小貼士
99.999 999 999%是芯片制造對硅材料的最低純度要求,即每10 億個硅原子中不得超過1 個雜質原子。
光刻
芯片內的距離以納米為單位,芯片制造需要用到光刻工藝。
在晶圓上涂一層特殊的光刻膠,再將包含數(shù)十億個電路元件的芯片“藍圖”制作成掩膜,利用光的投影將縮小版的掩膜投影到晶圓的光刻膠膜上。光刻膠膜發(fā)生光化學反應,被光照過的地方變得可溶于水,經過顯影清洗后留下的圖案與掩膜上的一致。再用特制的化學藥水蝕刻暴露的晶圓,蝕刻完成后,清除所有光刻膠,便能得到縱橫交錯的電路溝槽。
知識小貼士
納米是長度單位,1 nm 相當于4 倍原子大小。我們常見的芯片有14 nm 芯片、7 nm 芯片、5 nm 芯片。
摻雜
通過離子注入賦予硅晶體管的特性。
為了改變某些區(qū)域的導電性,覆蓋了光刻膠的晶圓經過離子束轟擊后,未被光刻膠覆蓋的部分嵌入了雜質,雜質會改變某些區(qū)域內硅的導電性。
知識小貼士
在芯片制造過程中,約有70 多道離子注入工序,對離子注入能量需要控制得很精準,并要求在工藝上精益求精。
薄膜沉積
通過化學或者物理氣相金屬沉積,再重復光刻和蝕刻工藝,進行金屬連接。
一塊運作正常的芯片需要連接數(shù)以百萬計的傳導線路,包含幾十層結構,每層結構都離不開光刻和蝕刻。從平面看,芯片像密集交織的高速公路;從立體看,芯片就像是擁有許多房間、樓宇的“超級城市”。
封裝與測試
封裝是把裸片放在一塊基板上,引出管腳后固定包裝成為一個整體。測試是對已制造完成的芯片進行結構及電氣功能的確認,以保證芯片符合系統(tǒng)的需求。
圖2 自動化封裝設備(圖/新華社 劉 潺 攝)
圖3 “神威·太湖之光”超級計算機使用的國產芯片(圖/新華社)
CPU 被稱作芯片中的“珠穆朗瑪峰”,是所有時期各種電子元件構成的計算機中央處理器的統(tǒng)稱。其結構主要包括控制單元、運算器、高速緩存器、動態(tài)隨機存取存儲器四個部分,分別對應控制、運算、高速數(shù)據交換存儲、短暫存儲四個用途。
CPU 作為電子終端產品的核心部件,被大規(guī)模應用在電腦、大型服務器、商用無人機等設備上。
知識小貼士
芯片的大致分類
按不同的處理信號可分為模擬芯片、數(shù)字芯片。
按國際標準分類方式可分為集成電路、分立器件、傳感器、光電子。
按電路可分為模擬集成電路、數(shù)字集成電路、混合信號集成電路。
按使用功能可分為GPU、CPU、FPGA、DSP、ASIC、SOC。
按不同應用場景可分為民用級(消費級)、工業(yè)級、汽車級、軍工級、航天級。