讓妳壹下看懂芯片是如何制造出來的,妳怎麽看呢?
芯片可以被稱為現代信息產業的糧食,如果沒有芯片,所有的信息產品都要停擺。近來美國對華為的制裁,傳說中的對中芯國際的制裁,都是想從根本上阻擋中國信息產業的蓬勃發展之勢。
芯片是如此的重要,大家也對芯片行業的發展動態十分的關註。故而很多人也想更清楚地了解,芯片到底是如何制造出來的。本文通過壹系列動圖向妳展示整個芯片的制造流程。芯片的誕生過程,可以分為設計、制造、封測三大步。
設計
芯片的誕生總是從設計開始的。下面妳所看到的,就是芯片的設計圖。
芯片設計圖
在芯片設計圖中,妳可以看到很多這樣的符號:
晶體三極管
這些都是晶體管的符號。晶體管有三個管腳,上下兩個管腳C和E之間可以流過電流,而中間那個B管腳則是壹個開關,決定了C和E之間能否有電流通過。看起來就好像下圖壹樣,
晶體管工作示意圖
當然,點按開關的小手指頭,只不過是壹個可愛的模擬;真實的實現,是通過B管腳的電流來控制,直觀來說如下圖所示,
晶體管的工作原理
我們都知道,在數字化系統中,信息都有0、1來代表,因此晶體管這種開與關的狀態天然與0、1狀態相切合,自然而然就成了數字電路中最基本的組成部分。換句話說,用壹定數量的晶體管,就能實現我們想要的功能;想要得到更多更好的功能,就要增加晶體管數量。假如我們把芯片比做壹棟大廈,那麽晶體管就是建設這棟大廈的每壹塊磚。
壹開始,晶體管長成這樣:
晶體管
是不是感覺有點占地方?於是,人們就想辦法把晶體管做小,就出現了集成電路,也就是芯片。在芯片裏,集成了大量的晶體管。對同樣面積的芯片來說,每壹個晶體管的尺寸越小,能容納的晶體管數量就越多,芯片功能就越強大。簡單來說,晶體管兩個管腳之間的距離被定義為線寬,線寬越窄,則晶體管就越小,那麽芯片能容納的晶體管就越多。我們常說某種芯片采用了5納米或者7納米的工藝,這裏面的5納米或7納米指的就是晶體管的線寬。以華為最新的麒麟1020芯片為例,采用的是臺積電5nm工藝,晶體管數量達到了驚人的150億。
麒麟1020是當前世界上最先進的手機處理器
制造
芯片設計好了,該怎麽制造呢?芯片是在壹塊圓型的高純度矽片上進行制造的,人們管它叫做晶圓(Wafer)。矽的純度非常高,用於做芯片的矽能達到11個9的純度,就是99.999999999%。
晶圓由高純度的矽制成
晶圓有不同的直徑。隨著技術的進步,晶圓的直徑總是在增加。大晶圓能生產更多的芯片,更少的浪費,因此能帶來更好的制造效率,降低成本。近年來,晶圓的直徑從4英寸(100mm)、6英寸(150mm),已經增加到8英寸(200mm)、12(300mm)英寸。未來還會增加到15英寸甚至20英寸。
不同的晶圓尺寸
制造芯片的過程,本質上來說就是在矽材料上實現壹個個晶體管的過程。芯片裏面的晶體管可以抽象成下圖中的模式:
芯片裏的晶體管
在矽晶體的上面,需要有壹個二氧化矽絕緣層,再上面還有壹個導電矽化合物層(圖中紅色部分),起到開關的作用。晶體管的電流流動模式如下圖所示:
晶體管內的電流流動
整個芯片的制造過程分為很多細小的步驟。首先晶圓要放進加熱爐(Furnace)裏,爐子的溫度有1000℃,目的是將晶圓表面氧化,形成二氧化矽絕緣層。
晶圓被放進加熱爐中氧化
然後,在晶圓表面塗上光刻膠,這是為了進行晶圓曝光做準備。