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你可知芯片是如何造出来的?

来源:羊城晚报
2020-09-23 13:26:06

  被芯片包围的今天

  你可知芯片是如何造出来的?

  □撰文/供图 刘植荣

  今天,我们生活在被芯片包围的世界里,几乎所有电器和电子设备上都有芯片,就连诸如身份证、护照、银行卡、乘车卡、购物卡之类的凭证也离不开芯片。最近一段时间,国人对芯片格外关注,我们天天谈论芯片和使用芯片,可你知道芯片是怎么造出来的吗?

  芯片的设计、制造与封装由不同公司完成

  美国电子工程师杰克·基尔比1958年发明集成电路(芯片)后,在芯片生产初期都是“一条龙”,即设计、制造、封装都由一家公司完成。美国英特尔公司目前仍采取这种传统的芯片生产模式。

  从20世纪80年代开始,芯片生产细化分工。设计公司不制造芯片,而是把设计好的集成电路交给芯片制造商代工;有的芯片制造商也不负责封装芯片,而是把加工好的晶圆交给芯片封装公司封装,完成芯片生产的最后一道工序。

  英国ARM是世界上最大的芯片设计公司,也是微处理器的标准制定者。ARM设计的芯片在全球手机和平板电脑芯片市场中占95%的份额,电脑芯片占45%的份额,家用电器芯片占35%的份额,智能卡芯片占30%的份额,网络设备芯片占17%的份额,汽车芯片占10%的份额。

  ARM并不是把自己设计的集成电路交给芯片制造商,而是把它卖给其他设计公司,其他设计公司对其进行有限的修改,然后选择一家芯片制造商代工。尽管一些芯片上印着各种商标,但这些芯片其实都是ARM设计的,专利权益归属ARM。

  ARM设计的集成电路授权费通常在千万美元左右,每年的授权费占ARM总收入的三分之一。另外,芯片代工企业还要向ARM支付版税,版税税率是芯片价格的1%-2%,ARM总收入的一半来自这项版税。

  芯片上有数以千亿计的电子元件,必须使用电子设计自动化软件EDA。EDA在芯片制造过程中起着决定性作用,芯片的功能和集成度,完全取决于EDA的设计能力。EDA基本上都来自美国的凯登、新思科技和明导三家公司。

  中国台湾的台积电是世界上最大的芯片制造商,市场占有率超过55%。美国的英特尔、格罗方德,韩国的三星,中国台湾的联电也是世界上顶级的芯片制造公司,这些公司拥有众多芯片制造技术专利。

  芯片是在晶圆上加工的,一片晶圆可加工出数千块芯片

  半导体材料很多,但应用最多的还是硅,因为硅的熔点是1415摄氏度,高熔点可以抵抗芯片加工中的高温工艺。

  只有高纯度的硅才能制造芯片,我们把纯度99.99%的金叫纯金(4个9),但制造芯片的硅的纯度至少要13个9。材料是芯片制造的基础,不掌握硅的提纯技术,造芯片就无从谈起。

  有了高纯度硅,还要把它加工成硅锭,这个过程也叫晶体生长。在硅熔炉里拉出硅锭后要截掉两端,就像吃甘蔗那样“掐头去尾”,然后再把硅锭磨成纯圆。接着,就要把硅锭切割出定位边,为接下来的工艺提供加工的便利。定位边有的是沿着硅锭纵向切去一小条,形成矩形平面;有的是沿着硅锭纵向开出沟槽。

  之后,就可以制备晶圆了。晶圆就是把硅锭切割成一片片的薄片,就像切香肠一样,然后在每片晶圆上加工出集成电路形成芯片。

  一片晶圆上要加工出数百块甚至数千块相同的芯片,封装前才把晶圆上的芯片切割分开。这就好比是印钞票,在一张纸上印出很多面值相同的钞票,然后再把它们切割开来。

  晶圆(硅锭)直径越大越好,这样可以一次加工出更多的芯片。还有,晶圆直径大,上面不可用的边缘芯片与全部芯片(可用芯片与边缘芯片之和)的比率就低,可用芯片产出率就高,通俗地说,就是下脚料少。晶圆直径和光刻机的工艺制程一样,代表着芯片制造技术水平。目前,直径450毫米的晶圆已成为主流,而5纳米制程的光刻机已开始广泛应用。

  制程代表能在晶圆上制作的电子元件的大小,制程越小,制造出来的芯片就越高级。一般尺子上的最小刻度是毫米,1毫米等于1000微米,1微米等于1000纳米,1纳米等于10埃。人的头发直径是7万纳米,周长是22万纳米。用制程5纳米工艺制造芯片,就好比沿着一根头发修建4.4万条公路。

  晶圆切割下来后还要磨片,就是把晶圆表面磨成光学平面,确保光刻时能准确聚焦。为避免晶圆在运输中以及将来加工中受损伤,还要对晶圆表面进行氧化,氧化后的晶圆就可以打包发运到芯片制造商那里去了。

  芯片是用掩模版“照”出来的,类似用底片冲印照片

  最近,光刻机几乎成了家喻户晓、妇孺皆知的名词,不少人误认为芯片是“刻”出来的。其实,芯片不是“刻”出来的,而是“照”出来的,这和用底片印照片一样。传统照相,把曝光冲洗后的底片在暗室里用放大机投影到相纸上,通过显影、定影就印出照片来了。光刻就是让光线透过掩模版,投影到晶圆上,被曝光的晶圆经过在化学药液里一系列化学反应,形成集成电路图形。

  掩模版的制备和光刻芯片的工艺相同,也需要光刻机,只是材质以及曝光法和蚀刻药液不同而已。

  1955年开始,贝尔实验室的朱尔斯·安德鲁斯和沃尔特·邦德研发出芯片光刻工艺。1958年,美国仙童公司制造出世界上第一台光刻机。1961年,美国GCA公司开始批量制造商业化的光刻机。目前,世界上只有4个国家的7家公司可以制造光刻机,即荷兰的阿斯麦尔,美国的英特尔、超科技半导体、鲁道夫,日本的尼康、佳能,德国的速思微科。

  掩模版是在石英基片(或玻璃基片)上镀上一层薄薄的铬膜,然后在铬膜上涂抹光刻胶。用EDA把集成电路图设计出来后,生成光刻机可识别的掩膜版图形文件,用电子束直接读取图形文件,对石英基片上的光刻胶非接触曝光,再经过一系列的化学药液处理,让曝光区域的光刻胶溶解脱落,暴露出下面的铬膜。接着,用化学药液把露出的铬膜蚀刻掉,就形成了透光区域,而受光刻胶保护的铬膜不会被蚀刻,形成不透光区域,这些不透光的图形就是集成电路图形,也就是晶体管、二极管、电阻、电容、熔丝等电子元件和连接它们的导线。

  掩模版好比是投影仪里的LCD或DLP显示屏,光源光线把显示屏上的图像投射到幕布上,不同的是,光刻机的光源光线通过掩模版投射到晶圆表面的光刻胶上,和传统照相用底片冲印照片一样,一块掩模版可以“照”出成千上万的芯片来。

  把晶圆加工成芯片,60%的时间处于光刻阶段

  现在,我们就看看芯片是怎么被“照”出来的。

  为满足不同工艺需要,掩模版有两种类型。如果掩模版上的集成电路图形是不透光的,而背景区域是透光的,则称之为亮场掩模版;反之,如果掩模版上的集成电路图形是透光的,而背景区域是不透光的,则称之为暗场掩模版。用亮场掩模版光刻就叫负胶光刻,用暗场掩模版光刻就叫正胶光刻。两种光刻工艺完全一样,只是用的光刻胶和化学药液不同而已。为节省篇幅,我们仅以亮场掩模版为例介绍晶圆的光刻过程。

  光刻机光源的光线照射掩模版,掩模版上的集成电路图形是不透光的,光线只能透过背景区域对晶圆上的光刻胶曝光。光刻胶本来是可溶物质,但曝光后就变成了不可溶物质,通过化学药液把可溶物质溶解掉,再经过清洗,集成电路图形就凹陷在光刻胶里。

  上文已述,晶圆表面有一层氧化层保护膜,集成电路图形就是在这层保护膜上形成的,现在,还要用化学药液蚀刻掉这层保护膜。曝光后的光刻胶是抗蚀刻的,能保护其下面的氧化层,此时的蚀刻只去掉集成电路图形下面的氧化层。

  蚀刻后,就可以把晶圆上剩余的光刻胶剥离了。这时,集成电路就永久留在晶圆表面了。但这只是集成电路图,还不能称其为芯片,因为此时还不能形成“PN结”等电性功能,必须经过离子注入、扩散等若干工艺后才能形成芯片。

  为提高芯片产出的合格率,高端光刻机不再给整块晶圆一次性曝光,而是对每块集成电路依次曝光,所以,光刻机的英文就是“Stepper”,其本意就是“一步一步曝光”的意思。

  需要说明的是,不是对晶圆的一次光刻就可以加工好芯片,而是要经过多次光刻,如阻挡层、导电层等都需要光刻。晶圆光刻后,还要对晶圆的背面进行研磨,减薄晶圆,芯片的厚度不超过75微米,以便于切割封装。

  美国加州大学物理学教授理查德·费曼提出了芯片三维制作理论,就是在一块晶圆平面的垂直方向,向上叠堆多层集成电路。对多层集成电路而言,就要对一片晶圆进行几十次甚至几百次光刻。晶圆加工的每一道工艺还细分成若干道子工艺,而且每道工艺完成后都要检测,检测晶圆常用的原子力显微镜检测灵敏度高达1埃(0.1纳米)。

  综上,把一片晶圆加工成芯片需要几个星期的时间,其中60%的时间处于光刻阶段。

  芯片加工区无人无灯光,一个病毒也不允许存在

  芯片制造代表世界上最顶尖的科技水平,不但对技术和设备有很高的要求,对车间环境要求也极高。

  芯片加工区的工作人员从头到脚全身防护,有的防护服甚至自带呼吸系统,就像宇航员一样,以防人体新陈代谢的脱落物和呼出的气体污染芯片。而光刻、蚀刻、离子注入等工艺是在真空下进行的。别说尘埃,就是病毒也不允许存在,因为一般病毒有100纳米大小,而芯片上的电子元件仅有几纳米,一个病毒就让整块芯片报废!

  在晶圆加工过程中需要大量高纯度水,要求25摄氏度时水的电阻大于1800万欧姆,一个芯片厂每天要用几万吨高纯度水,水的净化费用在芯片生产成本中占很大比重。

  所以说,就是弄到芯片制造的全套技术和设备,加工环境不达标,照样造不出芯片来。

  为避免人为因素造成的加工瑕疵,确保芯片品质的一致性,芯片制造自动化程度越来越高,基本做到了车间无人无灯光,按一下按钮,晶圆便自动进入工艺加工区,从一个工艺区到另一个工艺区自动完成,工作人员听到信号把加工包装好的晶圆取走就是了。

  可能有读者会问:晶圆加工好了究竟是个啥样子?

  芯片生产属于微观世界,加工好的晶圆被光线折射得斑驳陆离,肉眼是看不到上面的集成电路的。如果把加工好的晶圆放在显微镜下观看,它就像一座城市,上面的每块芯片就是一个巨大的街区,上面的电子元件就是建筑,导线就是建筑之间的空地,而芯片之间的切割线就像是城市的街道。

  芯片被封装在保护壳内,芯片占半导体市场的86.6%

  从上文论述可知,芯片是对晶圆加工而成的,一片晶圆上可有数千块芯片。芯片封装公司首先要把加工好的晶圆切割成独立的芯片,把边缘不能用的芯片剔除,然后对每块芯片进行测试,把测试合格的芯片封装在保护壳内,并焊接好引脚系统,然后再进行最后检测,检测合格后投入市场。从晶圆到芯片封装到最后检测,芯片在整个生产过程的合格率在78%左右。

  一般人是看不到芯片本身的,看到的是芯片封装外壳,因为芯片太纤薄,必须密封保护起来,并引出引脚后才能与外部电路连接。

  芯片生产所需材料都是高科技材料,材料费用占芯片总成本的38%。芯片生产的设备昂贵,使用寿命短,设备折旧占芯片总成本的35%。

  以上讲的是芯片生产的工艺流程,这只是概念上的流程,实际生产要复杂得多。在指甲盖大小的芯片上加工出数千亿甚至上万亿个电子元件,还要把它们用导线连接起来,让它们按设计要求协调运行,其工艺复杂、精密程度超乎一般人的想象。

  在整个半导体产业中,芯片占九成份额。根据世界半导体贸易协会的统计,2017年全球半导体贸易额为4122亿美元,其中芯片为3527亿美元,占86.6%,剩余的是分立电子元件。在芯片市场中,储存芯片占34.8%,逻辑电路占29%,微处理器占18%,模拟电路占15%。

  

  芯片有众多引脚

  

  晶体管发明人约翰·巴登(左)、威廉·肖克利(中)、瓦尔特·布拉顿(右)

  

  世界上第一块集成电路(芯片)

  

  加工好的300毫米晶圆

  

  显微镜下加工好的晶圆(局部)

  

  光刻机对晶圆光刻

责任编辑:李学平

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