“从沙子到芯片”集成电路技术介绍报告会

从沙子到芯片

12月16日上午9时

西安交通大学

张鸿教授

于黄山学院

文端楼一楼环形报告厅

开展集成电路技术报告会

张鸿教授

从日常使用的手机入手

带领同学们了解集成电路的发展史

手机是目前

人类发明的最复杂的系统

手机中各种复杂的功能是通过芯片一步一步进行计算来完成的

沙子是如何从变成复杂的芯片

芯片的制造需要一种原料——硅。

硅是一种半导体材料，也就是说通过掺杂，硅可以转变成导电性良好的导体或绝缘体。

为了能用于制造计算机芯片，硅必须被提纯到很高的纯度(10亿个原子中至多有一个其它原子，也就是99.9999999%以上) 硅在熔融状态被抽取出来后凝固，该固体是一种由单个连续无间断的晶格点阵排列的圆柱，也就是硅锭。

硅锭 → →晶圆

硅锭被切割成单个的硅片，称之为晶圆。每个晶圆的直径为300毫米，厚度大约1毫米。

晶圆也被称为wafer。

通过化学方法和物理方法

将硅锭切割

成为很薄的晶圆

光刻

光刻是用一种特殊的方法把某种图像印到晶圆上的过程。开始时使用一种称为光刻胶的液体，把它均匀的浇注到旋转的晶圆上。光刻胶这个名字的来源是这样的，人们发现有一种物质对特定频率的光敏感，它能够抵御某种特殊化学物质的腐蚀，蚀刻中涂覆刻它可起到保护作用，蚀掉不想要的材质。

光刻胶硬化后，用一定频率的紫外线照射后变得可溶。曝光过程需要用到膜片，膜片起到印模的作用，如此一来，只有曝光部分的光刻胶可溶。膜片的图像(电路)印到了晶圆上。电路图像要经过透镜缩小，曝光设备在晶圆上来回移动多次，也就是说曝光多次后电路图才能彻底印上去。

（注：和古老的照相机底片的原理类似）

离子注入

覆盖着光刻胶的晶圆经过离子束(带正电荷或负电荷的原子)轰击后，未被光刻胶覆盖的部分嵌入了杂质(高速离子冲进未被光刻胶覆盖的硅的表面)，该过程称为掺杂。由于硅里进入了杂质，这会改变某些区域硅的导电性(导电或绝缘，这依赖于使用的离子)。这里展示一下空洞(well)的制作，这些区域将会形成晶体管。

刻蚀

为了给三门晶体管制造一个鳍片(fin)，上述光刻过程中，使用一种称为硬膜片(蓝色)的图像材料。

然后用一种化学物质刻蚀掉不想要的硅，留下覆盖着硬膜片的鳍片。

金属沉积

晶体管的建造快竣工了。

晶体管上方的绝缘层刻蚀出3个小洞，这3个洞里被填充上铜或其它材质，以便跟别的晶体管导通。

在该阶段，晶圆浸在硫酸铜溶液里，作为阴极，铜离子从阳极出发到达阴极，最后铜离子会沉积在晶体管表面。

经过电镀，铜离子在晶圆表面沉积下来形成薄薄的一层铜。

其实这就是高中的电化学。

金属层

构造多重金属层以一种特殊的结构来导通(请考虑宏观世界中的“导线”)晶体管，这些“导线”怎么连接，要由某个型号处理器(例如第2代英特尔Core I5处理器)的架构师和设计团队来决定。

尽管计算机芯片看上去十分平整，其实可能会超过30层，是一个十分复杂的电路。一个放大的芯片看上去是由电线和晶体管组成的错综复杂的网络，该网络看上去像将来某天地面上建造成的多层高速公路系统。

当所有的内层连通以后，每个die（晶圆被切割成很多小块称为die）上都会被附上阵列焊盘，这些焊盘是芯片跟外面世界的电气连接通道(图中未画出焊盘)。

[注：我们常说的22纳米工艺就是指上述铜“导线”宽度，焊盘将来用于激光焊接CPU针脚或触点。Die一直没有对应的中文，但很多人都知道它是CPU的内部电路。

包装

单个的die经过前面的工序后被切割成单件。这里显示的是英特尔22纳米微处理的代号Ivy Bridge的die。

打包基板，die(电路部分)和导热盖粘在一起形成一个完整的处理器。绿色的基板具有电子和机械接口跟PC系统的其它部分通信。银色的导热盖可以跟散热器接触散发CPU产生的热量。

完整的微处理器 (Ivy Bridge) 被称为人类制造出的最复杂的产品。实际上，处理器需要几百个工序来完成---上述仅仅介绍了最重要的工序--- 是在世界上最洁净的环境下(微处理器工厂里) 完成的。

测试完整的处理器

在这个最后的测试阶段，处理器要经过全面的测试，包括功能、性能、功耗。

根据测试结果筛选，性能相同的处理器放一起，一个托盘一个托盘的存放，然后发给客户。

生产和测试好的处理器供给系统制造商或以盒包的形式进入零售市场。

一颗完整的芯片就这样诞生了

至此就得到完整的处理器了。这种在世界上最干净的房间里制造出来的最复杂的产品实际上是经过数百个步骤得来的，

这里只是展示了其中的一些关键步骤。

到这里

张鸿教授

为我们带来的

集成电路技术报告会

便圆满结束了

在场的每一位可谓都是收获满满，颇有所得

让我们一起为

张教授响起掌声吧！

图文编辑：陈浩然

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