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      一个芯片是如何出生的?

      互联网时间: 2023-11-21 15:09:42

      造个芯片,究竟有多难?

      很多人以为造芯片只需要光刻机,然后把硅片放上去,跟机床一样就造好了。

      骚年,还是 Too Young Too Simple!

      首先,芯片设计师会使用专门的设计软件,将几百亿颗晶体管的分布跟结构一一画出来。

      这些晶体管,可是比一根头发丝还要细小,每一个都承载着不可或缺的功能。

      然后再通过电子设计自动化EDA工具,进行深入的分析和优化,以确保每个部分都没有问题。

      紧接着,设计师开始着手进行布局布线,将每个部分正常连接起来,同时还会加入数模信号、电容、仿真等元素,最终才能形成真正的芯片图纸。

      接下来,要准备原材料,也就是沙子。

      当然,用来制造芯片的沙子,可不是工地上的那种河沙,而是硅含量更高的硅石。

      把这些硅石放到一个石墨坩埚里面,然后再加上几十吨的煤炭和木屑,在2000摄氏度的高温作用下,烧呀烧呀烧,就会烧出纯度为98~99%的硅锭。

      但是这种硅还无法用于芯片制造,后续还需要提纯。

      首先,它们会在高温下,与其他气体反应,再经过一系列复杂化学反应后,得到多晶硅。

      然后这种多晶硅会被融化、拉伸,经过冷却后,形成一个高纯度的圆柱状单晶硅。

      最后,这个单晶硅棒会被切割、研磨和抛光,最终变成一个平整光滑的硅晶圆。

      有了图纸,有了硅晶圆,下一步就可以制造芯片了。

      先把设计好的电路图刻在一个特殊的板子上,也就是掩膜版。然后在硅晶圆上,均匀地涂上一层光刻胶。

      这时轮到光刻机出场了,它会发出强烈的紫外光,这些光线会穿过掩膜的电路图案,将其照射到涂有光刻胶的硅晶圆上。

      光刻胶在这样的照射下,开始溶解。

      照射结束后,就是对晶圆进行清洗,没被照到的胶会被洗掉,从而留下电路图案。

      后面的过程,就是不断重复光刻和洗涤,同时将磷或硼这样的特殊物质参入到晶圆上,一层一层地叠加,直到所有的电路层都完成。

      整个过程必须精准无误,一点点的差错都可能导致电路无法正常工作,从而让芯片报废。

      而这不仅意味着要花费巨大的时间成本,还有大量的金钱投入。

      有芯片大厂算过这么一笔账,14nm工艺芯片,流片一次需要300万美元左右,7nm工艺芯片,流片一次需要3000万美元,5nm工艺芯片,流片一次更是达到4725万美元。

      而在14nm工艺制程上,大约需要60张掩膜版,7nm可能需要80张甚至上百张掩膜版。

      每多出一层 “掩膜板”,就需要多进行一次“光刻”,多一次 “光刻胶”的涂抹,多一次 “曝光”,这就意味着芯片制程越小,成本直线上升。

      据悉,在16/14nm制程中,所用掩膜成本在500万美元左右,到7nm时,掩膜成本迅速升至1500万美元。

      最后,这些经过光刻后的硅晶圆,被切呀切呀切,切成了一块块独立的芯片。

      再经过一系列测试没问题后,就可以送到客户那了。

      整个过程说起来简单,但每一步都是如履薄冰,稍有不慎,便前功尽弃。

      这也是为什么世界上只有少数几个国家和公司,掌握了高端芯片制造技术的原因。

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