芯片到底是什么？芯片的制作介紹

假設(shè)一百年或者幾百年之后，回顧 2018 年到 2019 年的大國關(guān)系，未來的人們可能發(fā)明一個(gè)新詞，或許就叫做芯片戰(zhàn)爭。雖然這種戰(zhàn)爭暫時(shí)還沒聽到槍炮聲響和看到硝煙，但是對未來世界格局的深遠(yuǎn)影響，可能不亞于一場次級別的世界大戰(zhàn)。這是因?yàn)閲@芯片這種國際商品而產(chǎn)生的交易額，是當(dāng)今全球原油交易市場總額的數(shù)倍。圍繞石油的大戰(zhàn)已經(jīng)不止一次，現(xiàn)在圍繞芯片開始的激烈斗爭，也將重構(gòu)二十一世紀(jì)上半葉的基本世界格局。那么現(xiàn)在大家?guī)缀跆焯炻牭叫酒@個(gè)詞。那么芯片到底是什么，為何設(shè)計(jì)和生產(chǎn)芯片成了一門高技術(shù)，對大多數(shù)人來說，恐怕都是半懂半不懂，或假裝聽得懂，也算一種基本態(tài)度。芯片說到底，其實(shí)就是一種微電路。那么什么又是電路？打開電腦的機(jī)箱，或者任何一種有程序化功能的電器內(nèi)部，都會看到電路板。芯片就是一種極度微小但功能強(qiáng)大的微縮邏輯電路。

現(xiàn)代集成電路是由基爾比在 1958 年發(fā)明的。因此榮獲 2000 年諾貝爾物理獎(jiǎng)，實(shí)用集成電路的發(fā)明人是諾伊斯，因過世早而未能同時(shí)獲獎(jiǎng)，諾貝爾所有獎(jiǎng)項(xiàng)只發(fā)給在世的人。集成電路可以把很大數(shù)量的微晶體管集成到一個(gè)小的純硅的薄片上，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。集成電路相對離散晶體管有兩個(gè)主要優(yōu)勢：成本和性能。成本低是由于芯片把所有的組件通過照相平版技術(shù)，作為一個(gè)單位印刷，而不是在一個(gè)時(shí)間只制作一個(gè)晶體管。性能高是由于組件快速開關(guān)，消耗更低能量，因?yàn)榻M件很小且彼此靠近?，F(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入納米級，比如 7 納米級的芯片，一平方厘米面積內(nèi)就可以集成 64 個(gè)億的微元件，已經(jīng)接近物理規(guī)律的極限，再靠的更近，電子可能就直接穿透了電路之間的空間自然隔離，導(dǎo)致芯片電路自然失效了，這就是摩爾定律在微電子領(lǐng)域內(nèi)的作用。

先進(jìn)的集成電路是微處理器或多核處理器的核心，可以控制計(jì)算機(jī)到手機(jī)等一切電子設(shè)備。雖然設(shè)計(jì)開發(fā)一個(gè)復(fù)雜集成電路的成本非常高，但是當(dāng)分散到通常以億計(jì)的產(chǎn)品上，每個(gè)集成電路的成本最小化。最終利潤就足夠豐厚。

制作芯片的基礎(chǔ)材料是單晶硅薄片。單晶硅是經(jīng)過早年的多次試驗(yàn)后，認(rèn)為是最合適的大規(guī)模制作集成電路的半導(dǎo)體材料。成為集成電路主流的基層。硅元素在地球地殼中含量很高，比如沙子水泥都含有大量的硅元素，但是能利用的是純度極高的單晶硅，也就是提煉出不含億分之一雜質(zhì)的硅結(jié)晶，這種結(jié)晶體，直徑越粗壯越好，越大的結(jié)晶，可以切割成直徑越大的圓盤薄，在這種薄片上可以印刷更多的呈現(xiàn)長方形的小芯片。單晶硅圓盤的制作直徑，是芯片加工企業(yè)的第一個(gè)技術(shù)高低的指標(biāo)。過去研發(fā)無缺陷純單晶硅晶體的方法就用了數(shù)十年的時(shí)間。制作芯片的基材，除了使用單晶硅，還有 III－V 族材料，比如砷化鎵也可以。

現(xiàn)在流水線式的單晶硅芯片的制作完整過程包括芯片設(shè)計(jì)、晶片制作、封裝制作、測試等幾個(gè)環(huán)節(jié)，其中晶片制作過程尤為的復(fù)雜。首先是芯片設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)的需求，生成的“圖樣”。而制造芯片的原料是晶圓。晶圓的成分是純硅，硅是由石英沙所精練出來的，晶圓便是硅加以純化 99．9999999％，接著是將這些純硅制成硅晶棒，成為制造集成電路的石英半導(dǎo)體的材料，將其切片就是芯片制作具體所需要的晶圓。晶圓越薄，直徑越大生產(chǎn)的成本越低，但對工藝就要求的越高。

然后對晶圓進(jìn)行涂膜，涂膜能抵抗氧化以及耐溫能力，其材料為光阻的一種。再往后是晶圓的光刻顯影、蝕刻。光刻工藝的基本流程。首先是在晶圓或襯底表面涂上一層光刻膠并烘干。烘干后的晶圓被傳送到光刻機(jī)里面。光線透過一個(gè)掩模，把掩模上的圖形投影在晶圓表面的光刻膠上，實(shí)現(xiàn)曝光，激發(fā)光化學(xué)反應(yīng)。對曝光后的晶圓進(jìn)行第二次烘烤，即所謂的曝光后烘烤，后烘烤是的光化學(xué)反應(yīng)更充分。最后，把顯影液噴灑到晶圓表面的光刻膠上，對曝光圖形顯影。顯影后，掩模上的圖形就被存留在了光刻膠上。如果看不明白這一點(diǎn)，就可以把晶圓看做老式膠卷照相機(jī)的顯影工藝。

涂膠、烘烤和顯影都是在勻膠顯影機(jī)中完成的，曝光是在光刻機(jī)中完成的。勻膠顯影機(jī)和光刻機(jī)一般都是聯(lián)機(jī)作業(yè)的，晶圓通過機(jī)械手在各單元和機(jī)器之間傳送。整個(gè)曝光顯影系統(tǒng)是封閉的，晶圓不直接暴露在周圍環(huán)境中，以減少環(huán)境中有害成分對光刻膠和光化學(xué)反應(yīng)的影響。

這個(gè)復(fù)雜的過程使用了對紫外光敏感的化學(xué)物質(zhì)，即遇紫外光則變軟。通過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蝕劑，使得其遇紫外光就會溶解。這時(shí)可以用上第一份遮光物，使得紫外光直射的部分被溶解，這溶解部分接著可用溶劑將其沖走。這樣剩下的部分就與遮光物的形狀一樣了，而這效果正是所要的。

下一個(gè)工序是摻加雜質(zhì)，將晶圓中植入離子，生成相應(yīng)的 P、N 類半導(dǎo)體。具體工藝是從硅片上暴露的區(qū)域開始，放入化學(xué)離子混合液中。經(jīng)過上面的幾道工藝之后，晶圓上就形成了一個(gè)個(gè)格狀的晶粒。通過針測的方式對每個(gè)晶粒進(jìn)行電氣特性檢測。將制造完成晶圓固定，綁定引腳，按照需求去制作成各種不同的封裝形式。經(jīng)過上述工藝流程以后，芯片制作就已經(jīng)全部完成了，最后步驟是將芯片進(jìn)行測試、剔除不良品，最后包裝上市。
編輯：hfy