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% G5 c! O, d: ~8 t. p9 T ... 现在电子消费品盛行 大家往往觉得7nm、5nm芯片技术唾手可得 真实的情况是... 全世界能达到28nm制程的企业也不过十家左右 不论是华为还是中芯国际 想要建一条堪用的生产线都十分困难
5 v* T Q0 X1 f0 o, B8 n9 i% o( I 下图就是芯片制造的完整过程 其中以芯片制作尤为复杂
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为什么芯片这么难造 今天我们就来好好说说 ... 1 芯片设计 与盖房子之前要画图纸一样 想将制造芯片也需要先设计 高度复杂的芯片由数十亿个集成互联的晶体管组成 比设计一座摩天大楼还要复杂的多 其电路比一线城市的道路都要繁复 而这些都构建在数平方毫米大的半导体表面上 需要非常严谨和深入的设计 像建筑师一般用CAD、3DMAX等软件设计大楼 而芯片的设计则采用EDA软件 之前国内一般使用比较多的是 但现在美国已经开始限制我们部分企业使用了 ![]() ; P o7 o9 v. o! F
国内目前能替代的不多 但也有华大九天、芯禾等公司的产品 然而与国外还是存在差距 用上述软件做设计比较好的国内公司有华为海思 国外比较厉害的公司有高通、苹果、AMD 当我们用EDA软件完成芯片设计之后 就可以开始加工制造了 2 芯片制造 所有的芯片都源自一种非常简单的原材料 沙粒 ![]() 3 M- ]! f' I+ r9 m
之所以用沙粒 是因为沙粒主要由二氧化硅组成 而硅具有稳定，易提纯等特性 同时也是非常丰富的资源 毕竟到处都有沙子 芯片制造的第一步 就是要把沙和碳混合 加热至高温使之转化为多晶硅 再经过一系列工艺 就能得到极纯的单晶硅，又称硅锭 ![]() 5 E/ }3 W0 i0 A$ Q$ m2 t# l
将其切割就可以得到极薄的晶圆 在一块直径150mm-300mm的晶圆上 甚至可以得到数千块芯片 接下来将晶圆抛光到0.2nm 比我们平时用的镜子还要亮100倍 ![]() 5 p: n3 V2 B ?' p/ j! b( |
然后就可以把 电路图“印”在晶圆上了 ![]() 8 O8 K$ [- p8 J' w
我们给晶圆覆上一层怕光的胶 这种胶就是“光刻胶” 再把之前用EDA软件设计好的电路图或结构图 通过透镜缩小，覆盖一层光掩膜，再用激光投射 这就是“光刻” ![]() + O; ^ n! t: G. [% ^* l l4 Z9 _8 d
被照到的光刻胶会立刻融化 再经过冲洗等一系列名为“蚀刻”的操作 电路和结构就会“印”在晶圆上 下一步 就是给晶圆安装晶体管和各种器件 这一步其实和炒菜很像 我们已经把菜倒进了锅里 再放入各种调料才能做出色香味俱全的饭菜 相当于芯片制作过程中的“添油加醋” ![]()
2 v8 [+ D, ?) Q6 p' v& b" M, R4 g专业术语叫“掺杂” 即把一定数量的杂质掺杂到晶圆上 为什么一定要掺杂呢？ 因为晶圆属于纯单晶硅 硅原子的最外层有四个电子 没有可以自由活动的 所以纯单晶硅在室温下无法导电 不导电芯片怎么工作？ 所以我们就要想办法让它导电！ 这就需要在晶圆中掺杂少量其他原子 这些杂质原子的最外层电子 必须比硅多一个或少一个 ![]() * q5 A2 f/ N# r
打开元素周期表 硅位于第十四族 因此我们需要使用第十三或十五族的元素 “添硼加磷”再合适不过了 ![]()
) T$ I) D0 U" C- h. n假设一节火车车厢一共有100个座位 每个座位刚好适合带四个电子的原子坐 因为硅原子携带四个电子，胖瘦合适 所以很舒服的就坐了进去 但也造成坐的太紧凑，电子们无法移动的问题 所以此时这是一节绝缘体车厢 ![]()
3 `; m3 G5 g3 W" E5 ~3 w3 |这时我们赶下去10个硅原子，换上10个硼原子 硼原子就瘦一些，只携带3个电子 这样车厢里就多出了10个电子的空位置 为电子们的移动提供了条件 这节车厢现在就是半导体了 我们称之为P型半导体 ![]()
! S) V+ N/ U' M% U% R同理，在另外一节车厢里 也有100个硅原子，我们赶下去10个 换上10个磷原子 但是磷原子比较胖，携带了5个电子 多出来的10个电子被挤了出去挂在了车厢外边 这节车厢我们称之为N型半导体 ![]()
. p E7 {+ D8 D- J ]$ u: n) I/ o, j4 \而两节车厢连在一起时 挂在N型车厢外边的10个电子喜出望外 因为P型车厢正好还有10个电子的空位置 于是他们立刻就跑了过去 电子就这么移动起来了 这两节车厢称之为“PN结” 当我们给车厢两端接上导线 二极管就诞生啦 芯片内数亿计的晶体管大多也都是这么来的 那么问题又来了 我们用什么办法才能赶走十个硅原子 并把硼原子和磷原子送上车呢？ 这里就要用到离子注入机了 ![]() % ?$ U% T. k6 J2 a
离子注入机就像一个大炮 会先把元素气态粒子电离成离子 然后射到晶圆上无数的硅原子车厢中 在这期间 很多离子都会被车厢弹开或直接穿过 还有一部分就会将车厢里本身的硅原子撞出来 从而留在车厢里 在完成离子注入后 晶圆就具有极性，可以导电了 最后就是要把 数以亿计的晶体管和器件连接起来 一个一个的连接肯定是不现实的 ![]()
7 g4 t6 T# x) Z, |我们会先给晶圆表面镀一层铜 再通过光刻、蚀刻 将这层铜按电路图规划切成一条一条的线 各种器件就彼此连接起来了 至此 芯片制造就基本上就完成了 ... 虽然看起来很厉害的样子 ![]()
$ |' ~* Q$ [$ J+ a6 e4 W但是实际上操作起来你会发现 ![]()
, q- E7 A. r1 ^/ n3 h: V6 ^更厉害！ 为了确保芯片能够再现设计的微观结构 必须保证生产环境是恒温、恒湿和无尘的 换言之，必须在洁净室中制造芯片 ![]()
4 G+ w5 o& p, I4 N( i3 t B) s洁净室比手术室还要干净的多 每10升空气中不得存在超过0.5微米的尘粒 员工在上岗前连吸烟都不可以 进出也只能通过一个特殊气闸 ![]()
! t; f$ T9 S4 P& G* U# q4 z3 r而对晶圆进行光刻的光刻机 更可以说是地球最精密的仪器了 目前最高工艺是纳米 在这种极端精度下 很多我们人体察觉不到的细节全部成为障碍 比如震动 关一个门的结果可能都是灾难性的 这就需要一个极度精密的减震系统 比如光源 光刻时不能像我们写字一样时粗时细 所以需要光束矫正器、能量控制器等等辅助设备 比如掩膜板 控制的精度是纳米级别 稍有偏差成像就会有问题 比如引导光线的反光镜 它的精度是以0.001纳米计算的 如果整个反光镜有福建广东两个省这么大的面积 ![]()
+ q3 u5 ?) ^9 e% |4 d1 o9 _那么福建广东两省的海拔高度基本是绝对水平的 最高凸起不能超过1厘米 ... 等等 等等 要注意的细节和生产难度实在太大了 而全世界只有一家高端的光刻机生产商 ![]() & o" ^3 y( p9 C- z
阿斯麦尔（ASML） 其生产的光刻机每台至少卖1亿美元 芯片制造国内比较厉害的公司有中芯国际 已经可以生产28nm工艺的芯片了 但仍然落后国际两代水平 国际上厉害的公司有台积电、英特尔、三星 但是他们之所以厉害 也不过是因为能先买到阿斯麦尔的光刻机 谁先买到谁就能率先具备7nm工艺水平 ![]()
5 J" _8 L% b* O5 B+ E2 N4 K钱，有的时候真不是万能的 英特尔持有阿斯麦尔15%股份 台积电持有5%，三星持有3% ![]()
7 X. X% G0 {; e/ D4 ?& K& Q咱们国家属于被限制国家 随着前几年美国渐渐管不住小弟了 中芯国际才捡漏了一台高端光刻机 ![]() $ e( ^0 ?1 n# L. y8 U' B1 k
... 3 封装测试 封装测试其实并不难 就是将晶圆上的芯片分割开分别装在主板上 ![]() 9 C0 [( n5 U! u1 _$ c' X4 G$ y
利用引线把芯片与封装的引脚相链接 再加入盖子封起来 防止外界灰尘和水汽的污染 ![]()
" E6 @& A# F( V8 W4 t7 z; |6 g" D成品完成后 再经过各种检测 达到要求的可以装箱 达不到的就扔掉 封装测试方面 我们国家的技术已经很成熟了 ![]() ; x: {6 ?$ g% p$ `4 i4 n6 \
讲到这里 如果你还不理解芯片制造的原理 那我们可以回到七十多年前 ![]()
( o0 _% G' z' S5 @看看1946年诞生的第一台计算机 这台名为“ENIAC”的庞然大物 重达30吨，占地170平方米，用了18000个电子管 每秒钟可以计算5000次 芯片其实就是将哪些大器件缩小后的产物 然而小到一定程度以后 量变引起质变 研发难度就会成指数倍增加 ![]()
/ [* N. J. U3 d1 E现在你应该明白 为什么芯片的主要材料是沙子 但是沙子那么便宜 而芯片那么贵了吧？ 算下来 从2015到2020年 国内半导体产业计划投资650亿美元 平均每年投入达130亿美元 但是... 仅英特尔一家公司研发投入就超过130亿美元 中国芯 依然任重而道远 注：本文为EDA365电子论坛原创文章，未经允许，不得转载 & a! W6 ~5 Z+ D0 ~
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发表于 2020-8-14 11:27
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