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yexuqing木蟲之王 (文學泰斗)
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【分享】揭秘芯片誕生全過程：真空狀態(tài)高度自動化生產(chǎn) 已有2人參與
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http://www.sciam.com.cn/html/remenkeji/2010/1026/13718.html 揭秘芯片誕生全過程：真空狀態(tài)高度自動化生產(chǎn) 時間:2010-10-26 09:12 來源:新浪科技 令硅晶片(如英特爾 硅晶片)遭受超強真空處理、“化學浴”浸泡、高能等離子體加工、紫外光照射等一系列步驟，同時還要使硅晶片經(jīng)過數(shù)百個制造階段，從而將它們變成CPU、存 儲器片、圖形處理器等。 如果你希望寫一封電子郵件，給網(wǎng)頁數(shù)據(jù)庫建索引，以每秒60幀的頻率呈現(xiàn)爆炸畫面，你必須首先制造一臺電腦。 而要制造電腦，你首先得設計和制造微型處理器，快速處理完成上述每個數(shù)字動作的數(shù)百萬個不同的計算步驟，進而采取運算速度達每秒30億次左右的新步驟。 要做到這一點，你可能需要美國應用材料公司(Applied Material)生產(chǎn)的芯片制造工具。美國應用材料公司是世界上向半導體行業(yè)出售這種設備的主要廠商之一。應用材料公司的機器設備會令硅晶片(如英特爾 硅晶片)遭受超強真空處理、“化學浴”浸泡、高能等離子體加工、紫外光照射等一系列步驟，同時還要使硅晶片經(jīng)過數(shù)百個制造階段，從而將它們變成CPU、存 儲器片、圖形處理器等。 由于上述步驟不利于人體健康，所以，部分操作步驟必須在密封的真空室內(nèi)進行，需要機械臂將硅晶片從一個處理站移到另一個處理站。而機器本身放置 在無塵室內(nèi)。無塵室的純凈氣體和身穿防護服的技術人員可以降低空氣受污染的幾率：頭發(fā)上掉下的一個塵粒便能毀壞售價500美元的CPU，所以，公司渴望將 發(fā)生這種事件的幾率降至最低。 《連線》雜志記者日前造訪了美國應用材料公司的梅坦技術中心(Maydan Technology Center)。梅坦技術中心是位于加州圣克拉拉市的技術一流的無塵室，應用材料公司在那里開發(fā)和測試設備。整個技術中心的超凈工作區(qū)占地面積3.9萬平 方英尺，相當于81個橄欖球場，分成三個大型“舞廳”，每個都堆滿了應用材料公司價值數(shù)百萬美元的設備以及軟管、零部件、腐蝕性化學物箱子、工具箱和一堆 堆的硅晶片。 1.應用材料公司無塵室  應用材料公司無塵室 在進入梅坦技術中心以前，你必須穿上防護服，戴上面具、護目鏡、兩幅手套以及將鞋完全套住的塑料袋。記者甚至不能將筆記本帶入內(nèi)：相反，應用材料公司給了他們幾個用收縮膜包裝的、在無塵室經(jīng)過特殊消毒處理的筆記本和鋼筆使用。 這里不是生產(chǎn)車間，相反，這個無塵室只是模擬了晶圓廠的環(huán)境，應用材料公司的設備將在這種環(huán)境下使用，以便公司及其客戶可以測試新技術和新工藝，然后真正將它們推向生產(chǎn)線。所以，此次采訪讓《連線》記者對尖端半導體制造行業(yè)的生產(chǎn)規(guī)程有了難得的了解。 2.玻璃光掩膜  玻璃光掩膜 芯片制造的核心技術是平版印刷(光刻)，這種技術就像是絲網(wǎng)印刷，只不過不是通過絲制模板將墨滾壓至棉T恤上，而是通過玻璃光掩膜，使紫外光照 射表面涂有光刻膠(一種有機化合物)的硅襯底上。在紫外光照射穿透的地方，光刻膠的化學特性會被削弱，使硅晶片表面留下圖案。接著，硅晶片會被送入一個 “化學浴室”，在暴露在外的硅襯底上蝕刻溝槽，同時光刻膠覆蓋的區(qū)域不會受到任何影響。在去除了光刻膠以后，其他設備會用各種材料填補溝槽，比如用于制造 處理器零部件的銅或鋁。此圖顯示的就是光掩膜，上面印有將打印到硅晶片上的圖案。 3.技術一流的機器設備  技術一流的機器設備 隨著硅晶片被送進制造車間，它將經(jīng)過多達250個不同步驟的處理。這些步驟包括給各種材料覆上一層薄膜，接著蝕刻以制成晶體管和銅線。右圖是應 用材料公司的Endura機器。Endura平臺是一個模塊化、可配置系統(tǒng)，用于將金屬和金屬合金安裝到硅晶片。據(jù)應用材料公司的專家介紹，過去20年制 造的幾乎所有芯片都用到了Endura平臺。 左圖則是應用材料公司Tetra III先進掩膜刻蝕系統(tǒng)。世界各地所有的掩膜制造商都利用這套系統(tǒng)開發(fā)和生產(chǎn)直徑為45納米的掩膜。由于應用材料公司正在開發(fā)和測試新制造設備，該公司將 大量資金投入到科研領域。2009年，應用材料公司在研發(fā)方面的投入高達9.34億美元，相當于年營收的20%左右。 4.平板印刷室一瞥  平板印刷室一瞥 根據(jù)現(xiàn)階段的技術發(fā)展水平制造的芯片直徑是30納米，也就是說，芯片零部件的平均尺寸大概是300億分之一米。芯片制造商目前正在開發(fā)直徑22 納米的芯片設計，這會使得芯片零部件的尺寸更小。有些零部件的厚度遠遠超過寬度，有時，這一比例達到60比1，進一步增加了芯片制造的難度。因為這意味著 蝕刻系統(tǒng)必須能以納米刻度，以超高精度在芯片上刻下極深、極窄的溝槽。平板印刷室里面點著黃色的燈，避免光掩膜與紫外線相互干擾。 5.極端真空狀態(tài)  極端真空狀態(tài) 技術人員在Endura系統(tǒng)的觸摸屏界面上工作。圖左是大型銀泵，用于在機器內(nèi)產(chǎn)生極端真空狀態(tài)——低至10-12個大氣。相比之下，距地面124英里(約合200公里)的高空(航天飛機飛行軌道所在位置)的氣壓為10-10個大氣。 6.“此處無金屬”  “此處無金屬” Centura機器右側(cè)的銀色金屬設備是一個斗式裝載機(batch loader)，用于快速給一疊硅晶片降壓，然后將它們輸送至Centura機器中加工。綠色“無金屬工具”標識意味著，這臺機器被用在增加銅線路以前的 一個過程。銅是一種污染物，會將加工過程的非金屬階段搞砸，所以，添加銅的機器需要進行小心隔離。 7.前置式晶圓傳送盒  前置式晶圓傳送盒 過去幾十年，用于制造芯片的硅晶片在尺寸上穩(wěn)步增加，使得制造商可以在每張盤上集成更多的芯片。從2000年開始，硅晶片直徑的行業(yè)標準一直為 300毫米。為簡化傳送過程，將污染的風險降至最低程度，晶圓廠會充分利用前置式晶圓傳送盒(簡稱FOUP)。每個前置式晶圓傳送盒可以在無菌的清潔環(huán)境 下放置25個硅晶片。它們能夠被放在應用材料公司大多數(shù)機器的前端。接著，機器吸入里面的硅晶片，一個個地自動快速加工。 4.平板印刷室一瞥 平板印刷室一瞥 根據(jù)現(xiàn)階段的技術發(fā)展水平制造的芯片直徑是30納米，也就是說，芯片零部件的平均尺寸大概是300億分之一米。芯片制造商目前正在開發(fā)直徑22 納米的芯片設計，這會使得芯片零部件的尺寸更小。有些零部件的厚度遠遠超過寬度，有時，這一比例達到60比1，進一步增加了芯片制造的難度。因為這意味著 蝕刻系統(tǒng)必須能以納米刻度，以超高精度在芯片上刻下極深、極窄的溝槽。平板印刷室里面點著黃色的燈，避免光掩膜與紫外線相互干擾。 5.極端真空狀態(tài) 極端真空狀態(tài) 技術人員在Endura系統(tǒng)的觸摸屏界面上工作。圖左是大型銀泵，用于在機器內(nèi)產(chǎn)生極端真空狀態(tài)——低至10-12個大氣。相比之下，距地面124英里(約合200公里)的高空(航天飛機飛行軌道所在位置)的氣壓為10-10個大氣。 6.“此處無金屬” “此處無金屬” Centura機器右側(cè)的銀色金屬設備是一個斗式裝載機(batch loader)，用于快速給一疊硅晶片降壓，然后將它們輸送至Centura機器中加工。綠色“無金屬工具”標識意味著，這臺機器被用在增加銅線路以前的 一個過程。銅是一種污染物，會將加工過程的非金屬階段搞砸，所以，添加銅的機器需要進行小心隔離。 7.前置式晶圓傳送盒 前置式晶圓傳送盒 過去幾十年，用于制造芯片的硅晶片在尺寸上穩(wěn)步增加，使得制造商可以在每張盤上集成更多的芯片。從2000年開始，硅晶片直徑的行業(yè)標準一直為 300毫米。為簡化傳送過程，將污染的風險降至最低程度，晶圓廠會充分利用前置式晶圓傳送盒(簡稱FOUP)。每個前置式晶圓傳送盒可以在無菌的清潔環(huán)境 下放置25個硅晶片。它們能夠被放在應用材料公司大多數(shù)機器的前端。接著，機器吸入里面的硅晶片，一個個地自動快速加工。 8.高度自動化  高度自動化 因為放滿硅晶片的前置式晶圓傳送盒很重，大約為20磅(約合9公斤)，自動化就成了無塵室設計的重要部分。應用材料公司的無塵室有一條自動化懸 掛單軌，可將前置式晶圓傳送盒從一處輸送至另一處。在照片中顯示的密封房間內(nèi)，最多可以放置700個前置式晶圓傳送盒(可裝1.75萬個硅晶片)。機械臂 將它們從兩側(cè)移進移出，放置在貫穿于整個無塵室的懸掛單軌(這張照片上沒顯示)。 另外2800個前置式晶圓傳送盒可以存放于主無塵室下面的一層�，F(xiàn)代無塵室中的每一臺機器都圍繞300毫米的硅晶片設計和制造。新一代芯片將采 用450毫米的硅晶片制造，從而實現(xiàn)更大的規(guī)模效益。但是，要與450毫米的硅晶片兼容使用，整個行業(yè)必須更換每一個設備零部件，所以，許多公司不愿作出 這種調(diào)整也可以理解。一旦實現(xiàn)了這種過渡，這會是應用材料公司、英特爾、AMD等企業(yè)之間長期談判的最終結(jié)果。 9.零部件精確制造  零部件精確制造 雖然電腦芯片僅相當于手指甲大小，但卻由數(shù)億個晶體管構(gòu)成，而用于將這些晶體管連接于機器、再將機器與主板和剩余世界連接的配線更是像迷宮一 般。芯片全部是用直徑大約1英尺(約合30厘米)的圓形硅晶片制造，每個可以包含200個獨立、但外形相同的處理器。由于偶爾會發(fā)生污染事件，雖然無塵室 極為干凈，制造商仍必須測試那些處理器的每一個零部件，以確保5億個零部件(每個直徑僅30至45納米左右)在制造過程中不會出現(xiàn)任何瑕疵。所以，這類機 器的成本高達數(shù)千億美元，也就不足為奇了。一個可容納數(shù)百臺此類機器的成熟晶圓廠，建造成本達數(shù)十億美元。2009年，全球半導體銷量總額達2263億美 元，像英特爾這樣的公司是世界上最賺錢的企業(yè)之一。 10.技術人員休息時間  技術人員休息時間 身穿防護服的工程師和技術人員在無塵室內(nèi)工作，他們負責設計和監(jiān)督機器內(nèi)發(fā)生的過程。不過，一旦某個操作過程啟動，它很大程度上屬于自動化，工 程師和技術人員此時就可以稍微輕松一下。穿上或脫下這種多層防護服，每次大概需要10分鐘時間。雖然有經(jīng)驗的技術人員可以在幾分鐘內(nèi)完成這一步，問題是你 在無塵室一般只能呆上很短時間，所以說這個過程足夠的繁瑣。所以，技術人員在機器運行時通常不會走出無塵室，而是使用房間內(nèi)的筆記本電腦處理其他事務。比 如，分析數(shù)據(jù)，寫報告，查看郵件。當他們做這些事情的時候，其實正用到在這樣的無塵室內(nèi)制造的芯片。(孝文) |
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