芯片制造——“沙子變形記”

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(gè)新的高峰。如今，芯片不僅在智能手機(jī)、電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、汽車等設(shè)備上被廣泛應(yīng)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(zhì)量的25%。硅的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有優(yōu)異的半導(dǎo)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(dāng)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(shí)小貼士

99.999 999 999%是芯片制造對(duì)硅材料的最低純度要求，即每10 億個(gè)硅原子中不得超過1 個(gè)雜質(zhì)原子。

光刻

芯片內(nèi)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(gè)電路元件的芯片“藍(lán)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(xué)反應(yīng)，被光照過的地方變得可溶于水，經(jīng)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(xué)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(cuò)的電路溝槽。

知識(shí)小貼士

納米是長度單位，1 nm 相當(dāng)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(dǎo)電性，覆蓋了光刻膠的晶圓經(jīng)過離子束轟擊后，未被光刻膠覆蓋的部分嵌入了雜質(zhì)，雜質(zhì)會(huì)改變某些區(qū)域內(nèi)硅的導(dǎo)電性。

知識(shí)小貼士

在芯片制造過程中，約有70 多道離子注入工序，對(duì)離子注入能量需要控制得很精準(zhǔn)，并要求在工藝上精益求精。

薄膜沉積

通過化學(xué)或者物理氣相金屬沉積，再重復(fù)光刻和蝕刻工藝，進(jìn)行金屬連接。

一塊運(yùn)作正常的芯片需要連接數(shù)以百萬計(jì)的傳導(dǎo)線路，包含幾十層結(jié)構(gòu)，每層結(jié)構(gòu)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(jí)城市”。

封裝與測(cè)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(gè)整體。測(cè)試是對(duì)已制造完成的芯片進(jìn)行結(jié)構(gòu)及電氣功能的確認(rèn)，以保證芯片符合系統(tǒng)的需求。

圖2 自動(dòng)化封裝設(shè)備（圖/新華社 劉 潺 攝)

芯片中的“珠穆朗瑪峰”

圖3 “神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)使用的國產(chǎn)芯片（圖/新華社）

CPU 被稱作芯片中的“珠穆朗瑪峰”，是所有時(shí)期各種電子元件構(gòu)成的計(jì)算機(jī)中央處理器的統(tǒng)稱。其結(jié)構(gòu)主要包括控制單元、運(yùn)算器、高速緩存器、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器四個(gè)部分，分別對(duì)應(yīng)控制、運(yùn)算、高速數(shù)據(jù)交換存儲(chǔ)、短暫存儲(chǔ)四個(gè)用途。

CPU 作為電子終端產(chǎn)品的核心部件，被大規(guī)模應(yīng)用在電腦、大型服務(wù)器、商用無人機(jī)等設(shè)備上。

知識(shí)小貼士

芯片的大致分類

按不同的處理信號(hào)可分為模擬芯片、數(shù)字芯片。

按國際標(biāo)準(zhǔn)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(hào)集成電路。

按使用功能可分為GPU、CPU、FPGA、DSP、ASIC、SOC。

按不同應(yīng)用場(chǎng)景可分為民用級(jí)（消費(fèi)級(jí)）、工業(yè)級(jí)、汽車級(jí)、軍工級(jí)、航天級(jí)。