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小小芯片上的上千萬個晶體管是怎么裝上去的?

作者:Anita 發(fā)布時間: 2022-05-17 03:11:45

簡介:】蘋果的A14芯片在85平方毫米的面積內塞入了125億~150億顆晶體管,這就意味著每平方毫米的晶體管密度可望達到1.76億。如果等比例放大,可比北、上、廣、深任何一座城市的規(guī)模復雜

蘋果的A14芯片在85平方毫米的面積內塞入了125億~150億顆晶體管,這就意味著每平方毫米的晶體管密度可望達到1.76億。如果等比例放大,可比北、上、廣、深任何一座城市的規(guī)模復雜得多得多。

不要試圖用傳統(tǒng)的辦法一顆一顆的焊接這些相當于頭發(fā)絲直徑10萬分之一大小的晶體管,因為根本不可能,用鑷子夾一顆晶體管跟夾空氣沒有任何區(qū)別,更別說用烙鐵將晶體管準確的焊接在已納米計算的位置上。

目前普通人手工能操作的最小尺度應該是在一粒寬約1毫米、長約3毫米的米上刻字。當然借助超高精度的機床操作,精度可以達到0.01~0.001微米,這種極限精度對于操縱一顆晶體管還遠遠不夠。

晶體管其實并不是焊上去的,而是通過光刻出來的沒錯就是用光來做刻刀,原理就像我們在沙灘上曬太陽,暴曬一段時間后,陽光能照射到的皮膚呈現(xiàn)深色,而經(jīng)過遮擋的皮膚陽光無法照射呈現(xiàn)淺色,這樣一幅具象的圖案就顯現(xiàn)出來了。

首先需要一塊純度99.%(小數(shù)點后面12個9)的高純度晶圓做地基。這樣晶體管和銅導線才能夯實得各歸其位。

光源是直接決定單位面積內能容納多少晶體管的決定性因素之一。芯片想要做得越小、在單位面積內容納更多的晶體管,使用更短波長的光源是最直接的手段。ASML的極紫外光刻機(EUV)是以10~14納米的極紫外光作為光源。

設計好的芯片圖紙會被制作成一層一層的光罩,一般一塊芯片是由幾十層電路組成,而每一層電路都需要一個光罩。

萬事俱備只欠東風,晶圓加熱表面形成氧化膜后,讓光透過光罩射到涂了光刻膠的晶圓上。被光罩上的電路圖擋住光的部分留下,而被光照到的光刻膠遇光就會起反應,容易會被化學腐蝕反應分解出去,或者用等離子體轟擊晶圓表面的方式去除沒有被光覆蓋的位置,一層電路就這樣刻在晶圓上了。

不需要的光刻膠除去之后,在露出的晶片內注入使晶體管能高效工作的雜質物質,從而制作出半導體元器件。注入后的半導體放在一定溫度下進行加熱就可以恢復晶體的結構,消除缺陷從而激活半導體材料的電學性能。重復以上的步驟就可以形成多層電子回路。

多層電子回路之間是通過氣相沉積、電鍍的方式形成絕緣層和金屬連線,而電鍍用于生長銅連線金屬層。

已經(jīng)制作好的晶圓在經(jīng)過化學腐蝕、機械研磨相結合的方式對晶圓表面進行磨拋,實現(xiàn)表面平坦化。然后再進行切片、封裝、檢測就做成了一塊完整的芯片。

芯片制造的原理看似簡單,但每一步都屬于挑戰(zhàn)極限從沙子轉變成可以制作芯片99.%的高純度晶圓,難度可想而知,就連如今使用的極紫外光光源都是費了九牛二虎之力才有所突破,而光刻膠就有幾千種。這些都還不是極限難度,極限難度在于如何將電路一層一層的刻畫到晶圓上,同時又保持晶體管和電路的涇渭分明,在納米尺度上保持多層光刻電路對齊。

在整個世界范圍內能組裝光刻機的鳳毛麟角,AMSL更是壟斷了高端光刻機市場,至今無人能望其項背。其中能造7nm以下工藝的極紫外光刻機EUV重達180噸,擁有超過10萬個零部件,90%的關鍵設備來自外國而非荷蘭本國,ASML作為整機公司,實質上只負責光刻機設計與集成各模塊,需要全而精的上游產(chǎn)業(yè)鏈作堅實支撐。通俗一些講:就算給你EUV完整的圖紙和配件,也很難調試出光刻芯片的精度。

芯片制造這件事,需要一整個完善的產(chǎn)業(yè)鏈來支撐。對于我們國家來說任重而道遠,對于國外的封鎖,只能一步一個腳印,沒有它法。

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