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你是一粒沙子,我是一颗芯片,沙子变芯片成长记

2020-9-2 14:37:28      点击:

一个看起来只有指甲盖那么大芯片,里面却包含着几千万甚至几亿的晶体管,想想就觉得不可思议,而在工程上这又是如何实现的呢?
芯片其主要成分就是硅。硅是地壳内第二丰富的元素,而脱氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25%的硅元素,以二氧化硅(SiO2)的形式存在。
硅(SiO2)一直被称为半导体制造产业的基础,就是因为它能够制成一个叫晶圆的物质,而首先我们需要把硅通过多步净化熔炼后变为硅锭(Ingot)。然后再用金刚石锯对硅锭进行切割,才会成为一片片厚薄均匀的晶圆。


接下来需要一样叫光刻胶的物质去铺满它的表面,光刻胶层随后透过掩模(Mask)被曝光在紫外线(UV)之下,变得可溶,期间发生的化学反应。掩模上印着预先设计好的电路图案,紫外线透过它照在光刻胶层上,就会形成微处理器的每一层电路图案。
晶体管的形成
到了这一步还要继续往下走,我们还需要继续浇上光刻胶,然后光刻,并洗掉曝光的部分,剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材料。


晶体管形成过程
然后就是重要的离子注入过程,在真空系统中,用经过加速的、要掺杂的原子的离子照射固体材料,从而在被注入的区域形成特殊的注入层,并改变这些区域的硅的导电性。
离子注入完成后,光刻胶也被清除,而注入区域(绿色部分)也已掺杂了不同的原子。到了这一步,晶体管已经基本完成。
晶圆切片与封装
然后我们就可以开始对它进行电镀了,操作方法是在晶圆上电镀一层硫酸铜,将铜离子沉淀到晶体管上。铜离子会从正极(阳极)走向负极(阴极)。电镀完成后,铜离子沉积在晶圆表面,形成一个薄薄的铜层。
其中多余的铜需要先抛光掉,磨光晶圆表面。然后就可以开始搭建金属层了。晶体管级别,六个晶体管的组合,大约为500nm。在不同晶体管之间形成复合互连金属层,具体布局取决于相应处理器的功能设计。


晶圆
芯片表面看起来异常平滑,但事实上放大之后可以看到极其复杂的电路网络,打个比方,就像复杂的高速公路系统网。
接下来对晶圆进行功能性测试,完成后就开始晶圆切片(Slicing)。完好的切片就是一个处理器的内核(Die),测试过程中有瑕疵的内核将被抛弃。


最后就是经封装,等级测试,再经过打包后,就是我们见到的芯片了。


图解处理器的制造过程
简单地说,处理器的制造过程可以大致分为沙子原料(石英)、硅锭、晶圆、光刻、蚀刻、离子注入、金属沉积、金属层、互连、晶圆测试与切割、核心封装、等级测试、包装上市等诸多步骤,而且每一步里边又包含更多细致的过程。