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      從一粒沙到一顆芯---看集成電路前世今生

      分類:
      行業新聞
      來源:
      2020/09/30 00:00
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      【摘要】:
      集成電路(integratedcircuit)是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝,把一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起,制作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上,然后封裝在一個管殼內,成為具有所需電路功能的微型結構;其中所有元件在結構上已組成一個整體,使電子元件向著微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進了一大步。它在電路中用字母"IC"表示。集成電路發明者為杰
        集成電路(integrated circuit)是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝,把一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起,制作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上,然后封裝在一個管殼內,成為具有所需電路功能的微型結構;其中所有元件在結構上已組成一個整體,使電子元件向著微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進了一大步。它在電路中用字母"IC"表示。集成電路發明者為杰克·基爾比(基于鍺(Ge)的集成電路)和羅伯特·諾伊思(基于硅(Si)的集成電路)。當今半導體工業大多數應用的是基于硅的集成電路。
       
      NPD
       
        究竟什么是集成電路?我們先以處理器為例,來看一下它的制造過程。
        簡單地說,處理器的制造過程可以大致分為沙子原料(石英)、硅錠、晶圓、光刻(平版印刷)、蝕刻、離子注入、金屬沉積、金屬層、互連、晶圓測試與切割、核心封裝、等級測試、包裝上市等諸多步驟,而且每一步里邊又包含更多細致的過程。
        沙子:硅是地殼內第二豐富的元素,而脫氧后的沙子(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,這也是半導體制造產業的基礎。
       
      NPD
       
        硅熔煉:12英寸/300毫米晶圓級,下同。通過多步凈化得到可用于半導體制造質量的硅,學名電子級硅(EGS),平均每一百萬個硅原子中最多只有一個雜質原子。此圖展示了是如何通過硅凈化熔煉得到大晶體的,最后得到的就是硅錠(Ingot)。
       
      NPD
       
        單晶硅錠:整體基本呈圓柱形,重約100千克,硅純度99.9999%。
       
      NPD
       
      NPD
       
        硅錠切割:橫向切割成圓形的單個硅片,也就是我們常說的晶圓(Wafer)。順便說,這下知道為什么晶圓都是圓形的了吧?
       
      NPD
       
        晶圓:切割出的晶圓經過拋光后變得幾乎完美無瑕,表面甚至可以當鏡子。事實上,Intel自己并不生產這種晶圓,而是從第三方半導體企業那里直接購買成品,然后利用自己的生產線進一步加工,比如現在主流的45nm HKMG(高K金屬柵極)。值得一提的是,Intel公司創立之初使用的晶圓尺寸只有2英寸/50毫米。
       
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        光刻膠(Photo Resist):圖中藍色部分就是在晶圓旋轉過程中澆上去的光刻膠液體,類似制作傳統膠片的那種。晶圓旋轉可以讓光刻膠鋪的非常薄、非常平。
       
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        光刻:光刻膠層隨后透過掩模(Mask)被曝光在紫外線(UV)之下,變得可溶,期間發生的化學反應類似按下機械相機快門那一刻膠片的變化。掩模上印著預先設計好的電路圖案,紫外線透過它照在光刻膠層上,就會形成微處理器的每一層電路圖案。一般來說,在晶圓上得到的電路圖案是掩模上圖案的四分之一。
       
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        光刻:由此進入50-200納米尺寸的晶體管級別。一塊晶圓上可以切割出數百個處理器,不過從這里開始把視野縮小到其中一個上,展示如何制作晶體管等部件。晶體管相當于開關,控制著電流的方向?,F在的晶體管已經如此之小,一個針頭上就能放下大約3000萬個。
       
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        溶解光刻膠:光刻過程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉,清除后留下的圖案和掩模上的一致。
       
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        蝕刻:使用化學物質溶解掉暴露出來的晶圓部分,而剩下的光刻膠保護著不應該蝕刻的部分。
       
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        清除光刻膠:蝕刻完成后,光刻膠的使命宣告完成,全部清除后就可以看到設計好的電路圖案。
       
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        第四階段
       
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        光刻膠:再次澆上光刻膠(藍色部分),然后光刻,并洗掉曝光的部分,剩下的光刻膠還是用來保護不會離子注入的那部分材料。
       
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        離子注入(Ion Implantation):在真空系統中,用經過加速的、要摻雜的原子的離子照射(注入)固體材料,從而在被注入的區域形成特殊的注入層,并改變這些區域的硅的導電性。經過電場加速后,注入的離子流的速度可以超過30萬千米每小時。
       
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        清除光刻膠:離子注入完成后,光刻膠也被清除,而注入區域(綠色部分)也已摻雜,注入了不同的原子。注意這時候的綠色和之前已經有所不同。
       
      NPD
       
        第五階段
       
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        晶體管就緒:至此,晶體管已經基本完成。在絕緣材(品紅色)上蝕刻出三個孔洞,并填充銅,以便和其它晶體管互連。
       
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        電鍍:在晶圓上電鍍一層硫酸銅,將銅離子沉淀到晶體管上。銅離子會從正極(陽極)走向負極(陰極)。
       
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        銅層:電鍍完成后,銅離子沉積在晶圓表面,形成一個薄薄的銅層。
       
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        第六階段
       
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        拋光:將多余的銅拋光掉,也就是磨光晶圓表面。
       
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        金屬層:晶體管級別,六個晶體管的組合,大約500納米。在不同晶體管之間形成復合互連金屬層,具體布局取決于相應處理器所需要的不同功能性。芯片表面看起來異常平滑,但事實上可能包含20多層復雜的電路,放大之后可以看到極其復雜的電路網絡,形如未來派的多層高速公路系統。
       
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        第七階段
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        晶圓測試:內核級別,大約10毫米/0.5英寸。圖中是晶圓的局部,正在接受第一次功能性測試,使用參考電路圖案和每一塊芯片進行對比。
       
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        晶圓切片(Slicing):晶圓級別,300毫米/12英寸。將晶圓切割成塊,每一塊就是一個處理器的內核(Die)。
       
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        丟棄瑕疵內核:晶圓級別。測試過程中發現的有瑕疵的內核被拋棄,留下完好的準備進入下一步。
       
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        單個內核:內核級別。從晶圓上切割下來的單個內核,這里展示的是Core i7的核心。
       
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        封裝:封裝級別,20毫米/1英寸。襯底(基片)、內核、散熱片堆疊在一起,就形成了我們看到的處理器的樣子。襯底(綠色)相當于一個底座,并為處理器內核提供電氣與機械界面,便于與PC系統的其它部分交互。散熱片(銀色)就是負責內核散熱的了。
       
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        處理器:至此就得到完整的處理器了(這里是一顆Core i7)。這種在世界上最干凈的房間里制造出來的最復雜的產品實際上是經過數百個步驟得來的,這里只是展示了其中的一些關鍵步驟。
       
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        第九階段
       
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        等級測試:最后一次測試,可以鑒別出每一顆處理器的關鍵特性,比如最高頻率、功耗、發熱量等,并決定處理器的等級,比如適合做成最高端的Core i7-975 Extreme,還是低端型號Core i7-920。
       
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        裝箱:根據等級測試結果將同樣級別的處理器放在一起裝運。
       
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        零售包裝:制造、測試完畢的處理器要么批量交付給OEM廠商,要么放在包裝盒里進入零售市場。這里還是以Core i7為例。
       
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        第十階段
       
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