小小芯片上的上千万个晶体管是怎么装上去的
苹果的A14芯片在85平方毫米的面积内塞入了125亿~150亿颗晶体管,这就意味着每平方毫米的晶体管密度可望达到1.76亿。如果等比例放大,可比北、上、广、深任何一座城市的规模复杂得多得多。
不要试图用传统的办法一颗一颗的焊接这些相当于头发丝直径10万分之一大小的晶体管,因为根本不可能,用镊子夹一颗晶体管跟夹空气没有任何区别,更别说用烙铁将晶体管准确的焊接在已纳米计算的位置上。
目前普通人手工能操作的最小尺度应该是在一粒宽约1毫米、长约3毫米的米上刻字。当然借助超高精度的机床操作,精度可以达到0.01~0.001微米,这种极限精度对于操纵一颗晶体管还远远不够。
晶体管其实并不是焊上去的,而是通过光刻出来的
没错就是用光来做刻刀,原理就像我们在沙滩上晒太阳,暴晒一段时间后,阳光能照射到的皮肤呈现深色,而经过遮挡的皮肤阳光无法照射呈现浅色,这样一幅具象的图案就显现出来了。
首先需要一块纯度99.999999999999%(小数点后面12个9)的高纯度晶圆做地基。这样晶体管和铜导线才能夯实得各归其位。
光源是直接决定单位面积内能容纳多少晶体管的决定性因素之一。芯片想要做得越小、在单位面积内容纳更多的晶体管,使用更短波长的光源是最直接的手段。ASML的极紫外光刻机(EUV)是以10~14纳米的极紫外光作为光源。
设计好的芯片图纸会被制作成一层一层的光罩,一般一块芯片是由几十层电路组成,而每一层电路都需要一个光罩。
万事俱备只欠东风,晶圆加热表面形成氧化膜后,让光透过光罩射到涂了光刻胶的晶圆上。被光罩上的电路图挡住光的部分留下,而被光照到的光刻胶遇光就会起反应,容易会被化学腐蚀反应分解出去,或者用等离子体轰击晶圆表面的方式去除没有被光覆盖的位置,一层电路就这样刻在晶圆上了。
不需要的光刻胶除去之后,在露出的晶片内注入使晶体管能高效工作的杂质物质,从而制作出半导体元器件。注入后的半导体放在一定温度下进行加热就可以恢复晶体的结构,消除缺陷从而激活半导体材料的电学性能。重复以上的步骤就可以形成多层电子回路。
多层电子回路之间是通过气相沉积、电镀的方式形成绝缘层和金属连线,而电镀用于生长铜连线金属层。
已经制作好的晶圆在经过化学腐蚀、机械研磨相结合的方式对晶圆表面进行磨抛,实现表面平坦化。然后再进行切片、封装、检测就做成了一块完整的芯片。
芯片制造的原理看似简单,但每一步都属于挑战极限
从沙子转变成可以制作芯片99.999999999999%的高纯度晶圆,难度可想而知,就连如今使用的极紫外光光源都是费了九牛二虎之力才有所突破,而光刻胶就有几千种。这些都还不是极限难度,极限难度在于如何将电路一层一层的刻画到晶圆上,同时又保持晶体管和电路的泾渭分明,在纳米尺度上保持多层光刻电路对齐。
在整个世界范围内能组装光刻机的凤毛麟角,AMSL更是垄断了高端光刻机市场,至今无人能望其项背。其中能造7nm以下工艺的极紫外光刻机EUV重达180吨,拥有超过10万个零部件,90%的关键设备来自外国而非荷兰本国,ASML作为整机公司,实质上只负责光刻机设计与集成各模块,需要全而精的上游产业链作坚实支撑。通俗一些讲:就算给你EUV完整的图纸和配件,也很难调试出光刻芯片的精度。
芯片制造这件事,需要一整个完善的产业链来支撑。对于我们国家来说任重而道远,对于国外的封锁,只能一步一个脚印,没有它法。
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