任何电子设备都离不开芯片,它已经成为战略资源之一,那么它是怎么制作出来的呢?
提炼单晶硅棒
芯片的基础材料非常简单,就是沙子。先将沙子与碳放在一起,用高温去除氧气,从中提取出单晶硅棒,然后用特殊的切割技术将硅棒切割成极薄的圆形硅片,最常见的硅片尺寸有直径150毫米,200毫米和300毫米,越大的直径给芯片提供的空间越多。建立晶体管,晶体管是芯片中最小的控制单元,作用是控制电压和电流,要建立晶体管需要从设计开始,每一片芯片都是由几十亿个晶体管组成。
芯片架构设计
要使如此复杂的电路构建在仅几平方毫米大小的半导体表面上,需要使用专业的设计工具设计每个晶体管的连接线路并模拟它的三维架构,然后把设计图传送到光掩膜中,变成图像模板。
蚀刻光刻
为了确保能够将芯片完美的制作成模板,就必须在一个无尘且温度、湿度都稳定的环境中制造,这个环境中不允许存在超过0.5um的灰尘颗粒 比手术室还要干净 为了达到这个要求,房间的通风过滤系统设计非常复杂,每小时有数百万立方米的空气在这里流通,使用数百个风量调节器保持恒定的空气流量,员工的着装规定也极其严格,不能吸烟,不能化妆或者带配饰并且只有一个进出通道,在这里硅片的表面会在大约1000度的高温中被氧化,创造出绝缘层,利用离心力在表面均匀分布光刻焦彩建立一个感光层,通过光掩膜在光刻机里进行光刻,在此过程中,芯片将电路设计的复杂几何图案转移到硅片上,有图案的地方会暴露出下方的氧化层在这之后,将进行蚀刻,腐蚀暴露出来的氧化层释放一种特殊气体,让它与硅片的氧化层发生反应,进行第一次蚀刻,然后去除光刻胶残留物,再一次氧化金片让导电多晶硅覆盖在上一层绝缘层上,第二次加上光刻胶,重复刚才的步骤后,把多晶硅和氧化层腐蚀掉。
掺杂
因为单晶龟在室温下不倒电,所以需要在单晶龟里掺杂磷原子(P)或硼原子(B),让它变成硅磷晶体或者硅硼晶体,使用离子注入机将杂质原子摄入硅中,让晶体能够导电,然后玻璃光刻胶残留物再一次对晶片进行氧化等作业,在机器中完成物理金属沉积,形成金属层,接着以微米的精度抛光多余的材料,根据芯片的尺寸和类型,每一个步骤都会在制造过程中重复多次。
切割
直到集成电路完成,总体来说我们做完这些工序后得到的是包含几十个到数千的芯片的块,需要将这些芯片切割,最后得到的芯片尺寸通常在一平方毫米到几平方毫米之间,随后还要进行封装检测等系列作业,才完整的得到可以用于生产的芯片。
整个过程写起来非常简单,但要实施起来却非常的艰难,不然我国也不用举全国之力攻克芯片难关。