沙子是如何变成芯片的?

2023-01-24 11:02:01 文章来源 :网络 围观 : 评论
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  本问题有点像“胖子是如何吃胖的?”答曰“说来话长,反正一口吃不成胖子。”开句玩笑,书归正传,下面概略回答“人类是如何想到用砂子制造芯片的?”其中省却事件的年月与人名。

  电学发展初期,人们认识了导体、绝缘体;后来发现介于导体与绝缘体之间还有一大类物质,有人将之称为半导体,有人称为半绝缘体,后来统一称为半导体。进而研究发现半导体有n型和p型之分。

  电学发展的过程中还发现,有时候需要通过整流的方式,将交变电流变为直流电流;有时候需要通过检波的方式,将较高频率的交变电流上载有的频率较低的脉动电流下载。早期的整流过程与检波过程是由真空电子管中的真空二极管来完成的,后来发现使用半导体材料也可以完成整流与检波功能,于是出现了半导体整流堆和半导体整流二极管、半导体检波二极管。

  后来发现在半导体二极管的n区和p区之间的导电通道旁边,另外增加一个半导体区,就可以控制原有两极间的电流导通状态,于是就制作成了半导体三极管,又称为晶体管。

  最早的晶体管使用的材料是锗。既然锗可以用来制作半导体二极管和半导体三极管,人们想到与锗属于同族元素、性质相近的硅也应当能够顺理成章。于是用硅制作成了硅半导体二极管、硅三极管,结果比用锗制作锗半导体二极管、锗三极管性能更好。

  硅材料何处去找?当然在地壳中寻找。实际上,硅在地壳矿物元素中的丰度最高,占全部元素含量总重量的28.15%,而且大部分以砂子(沙子,二氧化硅)的形式存在。于是就对砂子中的硅进行还原,再经粹化提纯、提拉单晶、一套切、磨、抛工序后,制成单晶硅片,就可以制作硅二极管、硅三极管了。

  由于硅二极管、三极管的体积比真空电子管缩小了几十倍、几百倍、几千倍、上万倍,当然将整个电路制作到一块硅单晶片上成为了可能。这就是半导体集成电路。

  随着集成电路的制作工艺越来越精细,集成电路的规模就越来越大,于是集成电路由小规模集成电路,一路发展,陆续出现中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路。现在超大规模集成电路又叫作芯片。

  如果你将上述内容看明白了,就会知道不是哪一个人突发奇想,就像用沙子垒墙那样砌成了一块芯片,而是靠众人之功。这个过程告诉我们,要想有所作为,首先要把前人和其他人创造的知识为我所用,才能有所发现、有所发明、有所创造、有所前进,才能够更上一层楼!

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  相信在初次认识 CPU时,每个萌新都会被大佬告知: CPU是沙做的。实际上, CPU的确是从沙中产生的,并且基本上绝大多数芯片都是从沙中产生的。这时,问题来了,沙子是怎么经过千辛万苦才变成昂贵的晶片的呢?

  这次我们将从 CPU的制备入手,简单的讲一下芯片是怎样被制造出来的。

  将砂子变成 CPU要经过制造晶片-前期工程- G/W检测-后期工程-筛选分装这五大流程。精化后可以再分为18个较小的步骤。

  晶片制造

  人们经常说的沙子做 CPU,其实并不严格,作为半导体材料,行业内用得最多的就是硅。地球上硅元素的储量仅次于氧元素,数据显示地球硅元素含量约为28%。由于硅元素有很大的储备,又有很好的半导体特性,它已成为制造集成电路的最佳原料。换言之,能够提供大量沙子的沙漠地带已成为优质硅元素的重要来源。

  1.纯化硅

  砂粒的主要成分是二氧化硅, CPU所使用的只是其中的硅元素,即单晶硅,这一步的主要目的是将砂粒中的硅元素熔化,提纯。

  这个步骤似乎很简单,实际上却很困难。当前最主要的净化方法是用焦煤和二氧化硅在1600-1800℃的温度下,将其还原成冶金级纯度约为98%的单质硅,随后用氯化氢继续净化99.99%的多晶硅。

  尽管现在的硅纯度已经很高了,但其内部杂乱的晶体结构不适合半导体制造,还需要进一步净化,形成固定一致的单晶硅形状。需要指出的是,整个晶片工业对晶片纯度的要求是惊人的99.999999999%,这一数据一点也不夸张,因为晶片中的任何杂质都会影响整片单晶硅的质量。

  2.制作硅锭首先

  纯化出的单晶硅的性质比较稳定,这里可以与同族元素中的碳元素进行类比。众所周知,自然条件下碳形成的稳定晶体是钻石,单晶硅晶体也是如此。现在主要采用直拉法来制备单晶硅。将籽晶添加到高温液态硅元素中,提供晶体生长的中心,缓慢地将晶体提升到上,同时在提升轴上以一定的速度旋转,从而将硅锭控制在所需的直径之内。最后,只需升高炉温,硅锭就会自动形成一个锥形尾,单晶硅锭的制备就完成了。

  3.切削硅锭

  这个步骤将制备好的硅锭切割成1毫米厚的圆片,即通常所说的晶圆。因为单晶硅性质稳定,所以切削工具使用的是更 NB的钻石锯,也就是钻石锯。

  上面的切口在切口处起到了两个作用:一是确定晶圆的晶体学方向,二是便于运输和拆卸。

  4.研磨硅片

  因为晶圆被切割后表面仍然不光滑,所以需要仔细研磨以减少被切割后产生的凹凸面。磨削时会使用一些特殊的化学液体来清洁晶圆的表面,最后将其抛光。直到这个步骤才准备好晶片,就算完成了。随后,晶片被装入特殊的盒子内,以保存运输。

  一般情况下,晶圆制造商不会自己制造晶圆,而是直接购买晶圆厂的产品来生产晶圆。

  前期工作的整个流程都是用来在晶片上制造带电路的芯片。磨削后的硅圆片经质量检验合格后,可直接入生产线生产。

  5.涂抹光刻胶

  经检查筛选无误后,硅圆片将进入生产线上涂抹光刻胶(感光树脂)环节(受光线照射时发生化学反应)。在此步骤中,首先将光刻胶滴在晶片上,通过高速旋转涂抹,使光刻胶形成均匀均匀的薄膜,然后再控制温度使其固化。

  6.紫外线辐照

  这个步骤就是我们通常所说的光刻工艺。在整个 CPU制作环节中,这个步骤最为复杂,成本也最高。这个步骤的原理是让紫外线通过预先设计的电路模子,然后改变晶片上的刻胶的性质,从而实现电路图的复制。

  请在此插入一条提示。由于制作和维护光刻机需要很高的技术储备,所以掌握光刻机也是世界上最精密的仪器。掌握了光刻机制造技术的世界上仅有极少数的厂商。其中还有另一个巨头,即著名的荷兰光刻机制造商 ASML,它的中文名字叫阿斯麦。一年只能生产2-3台的阿斯麦超高端光刻机将卖出 N亿美元。

  7.型光刻胶溶解

  这个步骤旨在溶解紫外线照射下的光刻胶。因为回路模式部分的光刻胶已经发生了化学变化,它可以溶于一种强碱性的显影液中,喷入晶圆,而未被照射的部分将保持完整。溶化结束后,晶片经冲洗,热处理后,进入下一个环节。

  8.型金属蚀刻

  这个步骤是把晶片放入一个特殊的蚀刻槽中,通过药剂的腐蚀作用使晶片与药剂接触而被腐蚀。腐蚀过程中会在腐蚀槽内加入超声振动,有助于去除晶圆表面的杂质,放置腐蚀过程中会产生不均匀现象。

  当腐蚀完成时,晶片的第一层电路就已经完成了。此后,为了保持晶片完整、干净和有第一层电路,需要用等离子体将晶片表面的光刻胶去除。

  由于现有的晶片晶体大多采用 FINFET工艺,所以单层加工渊源无法制造出所需图案,因此必须不断重复涂胶—光刻—溶解这一过程,并穿插各种成膜(绝缘膜,金属膜)工艺,以最终获得所需的3D晶体管结构。

  9.型离子注入法

  由于蚀刻完成的晶圆尚不具有晶片所要求的电学特性,因此此步骤旨在向晶圆内部强制注入特定元素以控制内部传导类型。为实现这个目标,目前广泛采用的技术就是离子注入法。在离子注入机中,需要掺杂的导电元素被导入到电弧室中,通过放电使之离子化,并在电场的作用下加速,将离子束从圆片表面注入。在离子注入完成后,晶片仍需进

  其实,从成分来看,沙子的主要成分是二氧化硅,并不是能够直接用于芯片中的硅的单晶体。这些沙子首先要进熔炉“重塑一下自我”。下面是沙子变成芯片的步骤。

  一、硅提纯

  沙子的主要成分是二氧化硅,CPU的主要成分是硅元素,即单晶硅,那么我们第一步就是要提纯硅元素。这一步难度非常大,芯片行业对硅元素的提纯要求达到了99.9%,否则品质会大受影响。

  二、制作硅锭

  制作硅锭的主要方法是直拉法。在高温也太话的硅元素里假如籽晶,慢慢向上拉升,同时以一定的速度提升轴旋转,以便将硅锭控制在所需直径内,最后形成一个锥形尾部,单晶硅锭就制作完成了。

  三、切割硅锭

  将制作好的硅锭切割成1mm厚的圆片,也就是晶圆。

  四、研磨晶圆

  用特殊的化学药品将不光滑的晶圆研磨光滑。

  一、涂抹光刻胶

  用光刻胶把它均匀的浇注到旋转的晶圆上。

  二、紫外线照射

  就是我们说的光刻工艺,通过紫外线在预先设计好的模具上改变晶圆上的硅胶性质,达到电路图复制。

  三、光刻胶溶解

  溶解紫外线照射国的光刻胶。

  四、蚀刻

  将晶圆放在特殊的蚀刻槽里,通过药剂的腐蚀作用对晶圆蚀刻。

  五、离子注入

  蚀刻完的晶圆不具备芯片所需的电器性质,这就需要强行离子注入,以便控制内部导电类型。

  六、绝缘层处理

  利用气相沉积法在晶圆上边形成一层氧化膜,达到绝缘层的目的。

  七、沉淀铜层

  将铜均匀沉积到绝缘层上,以便在上边布线,最后在铜层上再次沉淀绝缘层。

  八、构建互联铜层

  我们需要将晶体管连接起来。就需要构建多层电路网络。

  九、G/W检测

  这部步就是检测晶圆上的芯片是否合格。

  一、晶圆切片

  二、内核装片固定

  三、封装

  四、等级筛选

  五、封装零售

  

沙子是如何变成芯片的?

  所以说一颗沙子要做成芯片,真的不容易,经过的步骤非常多,看似简单,实则非常简单,所以像雷军说的芯片变成沙子价,估计永远也是不可能的。喜欢的评论区留下你的看法,我们共同讨论一下。最后,希望我们的“国产芯”崛起时刻早日到来!

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  通常半导体IC厂商是不会自行生产晶圆,通常都是直接从硅圆片厂中直接采购回来进行后续生产(以上属于产业前端)期间会用到特殊的化学液体清洗晶圆表面,最后进行抛光研磨处理,还可以在进行热处理,在硅圆片表面成为“无缺陷层;重点涉及到湿化学,半导体材料;光刻原理;最后封装。整个过程可以摸索到半导体全产业链。

  电脑芯片,像台式中央处理器一样,是由某种技术上并不引人注目的东西制成的:沙子。

  微处理器是世界上最复杂的产品之一,制造这些芯片是一个困难而精确的过程。

  从沙子开始

  制造计算机芯片的过程始于一种叫硅砂的沙子,它由二氧化硅组成。

  

沙子是如何变成芯片的?

  硅是半导体制造的基础材料,在用于制造过程之前必须是纯的。

  硅锭

  为了输送纯度为99.9999%的电子级硅,进行了多次纯化和过滤过程。

  一个重约100公斤的提纯硅锭由熔融的二氧化硅制成,为下一步做准备。

  切割薄饼

  

沙子是如何变成芯片的?

  圆形硅锭被切成尽可能薄的晶片,同时保持材料在制造过程中使用的能力。

  然后硅晶片被精炼和抛光,以便为随后的制造步骤提供最佳的表面。

  影印石版术

  在抛光并准备好之后,在晶片上薄薄地涂上一层光刻胶。

  然后将该层暴露在紫外光掩模下,该掩模按照微处理器电路的图案成形。

  曝光的光致抗蚀剂变得可溶,并被溶剂洗掉。

  离子与掺杂

  曝光的光致抗蚀剂被洗掉,硅片被离子轰击以改变其导电性能——这被称为掺杂。

  然后冲洗掉剩余的光致抗蚀剂,露出受影响和未受影响的材料的图案。

  蚀刻版画

  使用另一个光刻步骤将硬材料图案施加到晶片上。

  然后用化学物质去除不想要的硅,留下薄硅脊。

  在此之后,更多的光刻步骤被应用——这产生了更多的晶体管结构,这取决于所使用的栅极形成。

  电镀术

  一个绝缘层被应用到几乎完成的晶体管表面,三个孔被蚀刻到其中。

  接下来,制造商使用一种叫做电镀的工艺在晶体管表面沉积铜离子,在绝缘层上形成一层铜。

  多余的铜被抛光掉,在绝缘层孔中只留下三个铜沉积物。

  分层互连

  现在,所有的晶体管都连接在一个架构中,该架构允许芯片像处理器一样工作。

  这些互连的分层和设计非常复杂,单个处理器中可以有超过30层的金属连接。

  测试和切片模具

  

沙子是如何变成芯片的?

  晶片上的芯片现在可以测试了。

  晶片被切成小片,功能性小片进入制造过程的最后一步。

  包装

  芯片封装有衬底和散热器,并采用桌面处理器的常见外形。

  散热器将热量从硅中传导出去,进入安装在硅顶部的散热器。

  然后测试处理器的能效、最大频率和其他性能指标。

  那些通过的然后被包装成零售产品。

来源:文章来源于网络,如有侵权请联系我们删除。
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