半導(dǎo)體行業(yè)-芯片制造1半導(dǎo)體行業(yè)-芯片制造1什么是芯片？芯片，又稱微電路（microcircuit）、微芯片（microchip）、集成電路（英語：integratedcircuit,IC）。是指內(nèi)含集成電路的硅片，體積很小，常常是計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備的一部分。2什么是芯片？芯片，又稱微電路（microcircuit）、微1、改變世界的兩周假期------集成電路之父：杰克·基爾比（JackKilby）2、模擬器件領(lǐng)域的喬布斯-----鮑伯·韋勒3、賽靈思的聯(lián)合創(chuàng)始人-----Rossfreeman4、IT行業(yè)一個(gè)神話-----戈登摩爾5、“晶體管之父”-----肖克利半導(dǎo)體行業(yè)偉人31、改變世界的兩周假期------集成電路之父：杰克·基爾比IT行業(yè)一個(gè)神話-----戈登摩爾戈登·摩爾，1929年1月3日出生于舊金山佩斯卡迪諾，美國科學(xué)家，企業(yè)家，英特爾公司創(chuàng)始人之一。他是科學(xué)家與富豪融為一身的雙面人——戈登·摩爾（GordonMoore）在IT行業(yè)有一個(gè)神話，這個(gè)神話就是一條定律把一個(gè)企業(yè)帶到成功的頂峰，這個(gè)定律就是“摩爾定律”。信息產(chǎn)業(yè)幾乎嚴(yán)格按照這個(gè)定律以指數(shù)方式領(lǐng)導(dǎo)著整個(gè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的步伐，這個(gè)定律的發(fā)現(xiàn)者不是別人，正是世界頭號CPU生產(chǎn)商Intel公司的創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾（GordonMoore）。戈登摩爾1965年提出“摩爾定律”，1968年創(chuàng)辦Intel公司，1987年將CEO的位置交給安迪·葛洛夫。1990年被布什總統(tǒng)授予“國家技術(shù)獎”，2000年創(chuàng)辦擁有50億美元資產(chǎn)的基金會。2001年退休，退出Intel的董事會。摩爾定律內(nèi)容為：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18-24個(gè)月翻一倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。4IT行業(yè)一個(gè)神話-----戈登摩爾戈登·摩爾，1929年1月全球芯片公司排名1.英特爾(中國)有限公司2.三星電子株式會社3.上海半導(dǎo)體科技有限公司4.高通無線通信技術(shù)有限公司5.超威半導(dǎo)體產(chǎn)品有限公司6.SK海力士半導(dǎo)體有限公司7.德州儀器半導(dǎo)體技術(shù)有限公司8.美光半導(dǎo)體技術(shù)有限公司9.聯(lián)發(fā)博動科技有限公司10.華為技術(shù)有限公司5全球芯片公司排名51.IC設(shè)計(jì)2.芯片制造3.晶圓測試4.IC封裝與組裝目錄61.IC設(shè)計(jì)目錄61.IC設(shè)計(jì)1.1數(shù)字電路設(shè)計(jì)1.2模擬電路設(shè)計(jì)1.3仿真與測試71.IC設(shè)計(jì)1.1數(shù)字電路設(shè)計(jì)71.1數(shù)字電路（邏輯設(shè)計(jì)）數(shù)字電路設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)的是系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)邏輯圖81.1數(shù)字電路（邏輯設(shè)計(jì)）數(shù)字電路設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)的是系統(tǒng)功能的實(shí)1.2模擬電路設(shè)計(jì)（仿真信號處理）模擬電路設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)的是輸入信號的優(yōu)化（增加電源電路，或優(yōu)化電路布局等），使輸入信號免受器件影響差分放大電路（消除了信號中的噪聲并放大信號）91.2模擬電路設(shè)計(jì)（仿真信號處理）模擬電路設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)的是輸入1.3仿真與測試電路圖繪制101.3仿真與測試電路圖繪制10版圖繪制（按客戶給的規(guī)則排版）11版圖繪制（按客戶給的規(guī)則排版）11版圖與電路匹配檢查12版圖與電路匹配檢查122.芯片制造：從沙子到芯片，CPU是如何制造出來的（短片）2.1、沙子/硅錠硅是地殼中含量位居第二的元素。常識：沙子含硅量很高。硅---計(jì)算機(jī)芯片的原料---是一種半導(dǎo)體材料，也就是說通過摻雜，硅可以轉(zhuǎn)變成導(dǎo)電性良好的導(dǎo)體或絕緣體。[注：半導(dǎo)體是導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一種材料。摻雜是一種手段，通常加入少量其它某種元素改變導(dǎo)電性。熔融的硅---尺寸：晶圓級(~300毫米/12英寸)為了能用于制造計(jì)算機(jī)芯片，硅必須被提純到很高的純度(10億個(gè)原子中至多有一個(gè)其它原子，也就是99.9999999%以上)硅在熔融狀態(tài)被抽取出來后凝固，該固體是一種由單個(gè)連續(xù)無間斷的晶格點(diǎn)陣排列的圓柱，也就是硅錠。單晶硅錠---尺寸：晶圓級(大約300毫米/12英寸)硅錠的直徑大約300毫米，重約100千克。單晶硅就是說整塊硅就一個(gè)晶體，我們?nèi)臻L生活中見到的金屬和非金屬單質(zhì)或化合物多數(shù)以多晶體形態(tài)存在。132.芯片制造：從沙子到芯片，CPU是如何制造出來的（短片）12.2、硅錠/晶圓切割---尺寸：晶圓級(大約300毫米/12英寸)硅錠被切割成單個(gè)的硅片，稱之為晶圓。每個(gè)晶圓的直徑為300毫米，厚度大約1毫米。晶圓–尺寸：晶圓級(大約300毫米/12英寸)晶圓拋光，直到無瑕，能當(dāng)鏡子照。Intel從供貨商那里購買晶圓。目前晶圓的供貨尺寸比以往有所上長，而平均下來每個(gè)芯片的制造成本有所下降。目前供貨商提供的晶圓直徑300毫米，工業(yè)用晶圓有長到450毫米的趨勢。在一片晶圓上制造芯片需要幾百個(gè)精確控制的工序，不同的材料上一層覆一層。下面簡要介紹芯片的復(fù)雜制造過程中幾個(gè)比較重要的工序。142.2、硅錠/晶圓切割142.3、光刻光刻膠的使用---尺寸：晶圓級(大約300毫米/12英寸)光刻是用一種特殊的方法把某種圖像印到晶圓上的過程。開始時(shí)使用一種稱為光刻膠的液體，把它均勻的澆注到旋轉(zhuǎn)的晶圓上。光刻膠這個(gè)名字的來源于是這樣的，人們發(fā)現(xiàn)有一種物質(zhì)對特定頻率的光敏感，它能夠抵御某種特殊化學(xué)物質(zhì)的腐蝕，蝕刻中涂覆刻它可起到保護(hù)作用，蝕掉不想要的材質(zhì)。曝光---尺寸：晶圓級(大約300毫米/12英寸)光刻膠硬化后，用一定頻率的紫外線照射后變得可溶。曝光過程需要用到膜片，膜片起到印模的作用，如此一來，只有曝光部分的光刻膠可溶。膜片的圖像(電路)印到了晶圓上。電路圖像要經(jīng)過透鏡縮小，曝光設(shè)備在晶圓上來回移動多次，也就是說曝光多次后電路圖才能徹底印上去。[注：跟古老的照相機(jī)底片的原理類似]溶解光刻膠---尺寸：晶圓級(大約300毫米/12英寸)通過化學(xué)過程溶解曝光的光刻膠，被膜片蓋住的光刻膠保留下來。152.3、光刻光刻膠的使用152.4、離子注入離子注入---尺寸：晶圓級(大約300毫米/12英寸)覆蓋著光刻膠的晶圓經(jīng)過離子束(帶正電荷或負(fù)電荷的原子)轟擊后，未被光刻膠覆蓋的部分嵌入了雜質(zhì)(高速離子沖進(jìn)未被光刻膠覆蓋的硅的表面)，該過程稱為摻雜。由于硅里進(jìn)入了雜質(zhì)，這會改變某些區(qū)域硅的導(dǎo)電性(導(dǎo)電或絕緣，這依賴于使用的離子)。這里展示一下空洞(well)的制作，這些區(qū)域?qū)纬删w管。[注：據(jù)說這種用于注入的帶電粒子被電場加速后可達(dá)30萬千米/小時(shí)]去除光刻膠---尺寸：晶圓級(大約300毫米/12英寸)離子注入后，光刻膠被清除，在摻雜區(qū)形成晶體管。晶體管形成初期---尺寸：晶體管級(大約50～200納米)圖中是放大晶圓的一個(gè)點(diǎn)，此處有一個(gè)晶體管。綠色區(qū)域代表摻雜硅?，F(xiàn)在的晶圓會有幾千億個(gè)這樣的區(qū)域來容納晶體管。162.4、離子注入離子注入162.5、刻蝕刻蝕---尺寸：晶體管級(大約50～200納米)為了給三門晶體管制造一個(gè)鰭片(fin)，上述光刻過程中，使用一種稱為硬膜片(藍(lán)色)的圖像材料。然后用一種化學(xué)物質(zhì)刻蝕掉不想要的硅，留下覆蓋著硬膜片的鰭片。172.5、刻蝕刻蝕172.6、臨時(shí)門的形成二氧化硅門電介質(zhì)

---尺寸：晶體管級(大約50～200納米)在光刻階段，部分晶體管用光刻膠覆蓋，把晶圓插入到充滿氧的管狀熔爐中，產(chǎn)生一薄層二氧化硅(紅色)，這就造就了一個(gè)臨時(shí)門電介質(zhì)。多晶硅門電極---尺寸：晶體管級(大約50～200納米)在光刻階段，制造一層多晶硅(黃色)，這就造就了一個(gè)臨時(shí)門電極。絕緣---尺寸：晶體管級(大約50～200納米)在氧化階段，整個(gè)晶圓的二氧化硅層(紅色透明)用于跟其它部分絕緣。英特爾使用”最后門”(也稱為“替代金屬門”)技術(shù)制作晶體管金屬門。這種做法的目的是確保晶體管不出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，否則高溫的工序會導(dǎo)致晶體管不穩(wěn)定。182.6、臨時(shí)門的形成二氧化硅門電介質(zhì)182.7、“最后門”高K/金屬門的形成

注：介電常數(shù)K為高還是低是相對的，但英特爾的標(biāo)準(zhǔn)跟業(yè)界不同，業(yè)界普遍采用IBM的標(biāo)準(zhǔn)，用低K介質(zhì)能減少漏電流，但是加工困難，目前大規(guī)模數(shù)字電路多用高K介質(zhì)。犧牲門的去除---尺寸：晶體管級(大約50～200納米)用膜片工序里的做法，臨時(shí)(犧牲)門電極和門電介質(zhì)被刻蝕掉。真實(shí)門現(xiàn)在就會形成了，因?yàn)榈谝婚T被去掉了，該工序稱為“最后門”。高K電介質(zhì)的使用---尺寸：晶體管級(大約50～200納米)在稱為”原子層”沉積的過程中，晶圓表面覆了一層分子。圖中黃色層代表這些層中的兩層。使用光刻技術(shù)，在不想要的區(qū)域(例如透明二氧化硅的上面)里，高K材質(zhì)被刻蝕掉。金屬門---尺寸：晶體管級(大約50～200納米)晶圓上形成金屬電極(藍(lán)色)，不想要的區(qū)域用光刻的辦法刻蝕掉。跟高K材料配合(薄薄的黃色層)起來使用，可以改善晶體管性能，減少漏電流的產(chǎn)生，這是使用傳統(tǒng)的二氧化硅/多晶硅門不能企及的。192.7、“最后門”高K/金屬門的形成192.8、金屬沉積晶體管就緒

---尺寸：晶體管級(大約50～200納米)晶體管的建造快竣工了。晶體管上方的絕緣層刻蝕出3個(gè)小洞，這3個(gè)洞里被填充上銅或其它材質(zhì)，以便跟別的晶體管導(dǎo)通。[注：晶體管也就是通俗意義上的三極管，需要3個(gè)引線腳，所以一個(gè)晶體管的絕緣層上得刻蝕出3個(gè)小洞]電鍍---尺寸：晶體管級(大約50～200納米)在該階段，晶圓浸在硫酸銅溶液里，作為陰極，銅離子從陽極出發(fā)到達(dá)陰極，最后銅離子會沉積在晶體管表面。電鍍后序---尺寸：晶體管級(大約50～200納米)經(jīng)過電鍍，銅離子在晶圓表面沉積下來形成薄薄的一層銅。202.8、金屬沉積晶體管就緒202.9、金屬層拋光

---尺寸：晶體管級(大約50～200納米)多余的材質(zhì)會被機(jī)械拋光，直到露出光亮的銅為止。金屬層---尺寸：晶體管級(6個(gè)晶體管組合起來大約500納米)構(gòu)造多重金屬層以一種特殊的結(jié)構(gòu)來導(dǎo)通(請考慮宏觀世界中的“導(dǎo)線”)晶體管，這些“導(dǎo)線”怎么連接，要由某個(gè)型號處理器(例如第2代英特爾CoreI5處理器)的架構(gòu)師和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來決定。盡管計(jì)算機(jī)芯片看上去十分平整，其實(shí)可能會超過30層，是一個(gè)十分復(fù)雜的電路。一個(gè)放大的芯片看上去是由電線和晶體管組成的錯(cuò)綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)看上去像將來某天地面上建造成的多層高速公路系統(tǒng)。212.9、金屬層拋光212.10、包裝單個(gè)Die---尺寸：die級(大約10毫米/大約0.5英寸)單個(gè)的die經(jīng)過前面的工序后被切割成單件。這里顯示的是英特爾22納米微處理的代號IvyBridge的die。打包---尺寸：包裝級(大約20毫米/大約1英寸)打包基板，die(電路部分)和導(dǎo)熱蓋粘在一起形成一個(gè)完整的處理器。綠色的基板具有電子和機(jī)械接口跟PC系統(tǒng)的其它部分通信。銀色的導(dǎo)熱蓋可以跟散熱器接觸散發(fā)CPU產(chǎn)生的熱量。處理器---尺寸：包裝級(大約20毫米/大約1英寸)完整的微處理器(IvyBridge)被稱為人類制造出的最復(fù)雜的產(chǎn)品。實(shí)際上，處理器需要幾百個(gè)工序來完成---上述僅僅介紹了最重要的工序---是在世界上最潔凈的環(huán)境下(微處理器工廠里)完成的。[注，粉塵會導(dǎo)致電路短路，制造精密的電路必須在無塵的環(huán)境下進(jìn)行。例如，目前計(jì)算機(jī)主板要求的無塵環(huán)境是1萬等級，也就是說平均1萬立方米空氣中不得多于1粒粉塵。CPU電路更加精細(xì)，對無塵環(huán)境要求會更高]222.10、包裝222.11、級別測試/完整的處理器

級別測試---尺寸：包裝級(大約20毫米/大約1英寸)在這個(gè)最后的測試階段，處理器要經(jīng)過全面的測試，包括功能，性能，功耗。篩選---尺寸：包裝級(大約20毫米/大約1英寸)根據(jù)測試結(jié)果篩選，性能相同的處理器放一起，一個(gè)托盤一個(gè)托盤的存放，然后發(fā)給客戶。零售包裝---尺寸：包裝級(大約20毫