现代芯片制造技术及其发展趋势分析

施睿

摘 要：在电子信息技术高速发展的今天，各种电子设备都离不开其核心部件——芯片，芯片又称大规模集成电路，是在硅片上布置各种电子元器件而形成的片状器件，有着计算、控制、存储等多种功能。本文从芯片的概念讲起，就芯片的制造流程和未来发展趋势作了一定分析。

关键词：芯片;集成电路;封装

中图分类号：TN40 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）02-0038-02

1 芯片概述

芯片又称为大规模集成电路，是一切由半导体材料制成元器件的称谓，通常用硅片作为基底，而在基底上则有功能不同的集成电路，集成电路元件包括连接线、电阻、电容、电感等器件。芯片的最小单位是晶元，多达数万个晶元构成了精密的芯片。从宏观的领域上看，芯片的内部可以不含电路等元器件，只要是半导体材料采用一系列精密加工而得来的有一定功能的元器件都可以称为芯片，其是一种具有多重电路功能的片体结构。除了一般组成集成电路的元器件，芯片的内部一般还包含有其他元器件，包括但不限于晶体管、电子管、二极管、三极管等。[1]

芯片的特点十分鲜明，其有着体积小、元器件密度大、可靠性高、便于随时更换等优势，但是可维修度很低。基于自身的优势，芯片的使用场景多种多样，既可以单独作为电子元件，也可以和其他元件配合组成各种电子设备，例如常用的计算机、手机、移动电脑和各种家用电器，在国民经济和国防工业建设的各个领域发挥着重要的作用，同时也是衡量一个国家高科技技术实力的重要标准。[2]芯片的结构十分复杂，布线时可以达到10nm工艺（布线时相邻两根线的间距），所以其制造工艺也很复杂。

2 芯片的制造流程

芯片的固态器件制造可以划分为四个不同的阶段。它们分别是材料预备、晶体生长、晶圆制造和芯片封装，下文将详细描述各个过程，如图1所示。

（1）材料准备。芯片的材料一般为基底的硅，硅来自自然环境中的石材，将石材经过加工提纯而制成的高纯度硅为母材，制造芯片的硅晶片具有多晶体的结构，强度较高，化学性质稳定，是良好的半导体材料。用于制作元器件的材料则要根据元器件性能的不同来选配，大多以铜、银、镍等材料为主。[3]

（2）晶体生长。这一阶段主要是硅晶片上安放有特殊结构的电路晶体，晶体在高光、高温条件下进行生长，此过程一般需要提供极为干燥和无污染的环境。待晶体生长完成后，用激光将晶体切割成一个一个的晶圆，最终通过表面处理，形成晶元制造的毛坯。

（3）晶圆制造。晶圆制造也称为集成电路制造，此过程旨在在每个晶圆上制造集成电路部件，例如电阻、电容、电感、二极管、三极管等，一般一个晶圆上可以制造多达500个微型的电子元器件，最后，通过布线技术将各个元器件连接起来，构成完整的电路芯片。

（4）芯片封装。芯片的元器件和电路都制造完毕后，还不能达到出厂的标准，必须通过最为关键的一步——封装。芯片封装是指将晶圆上的电路分割为若干个单元，然后将其密封起来。此过程主要是为了使各单元充分隔离，避免互相干扰和外部环境的污染。

3 芯片的发展趋势

3.1 集成度加强

在芯片的内部布局着多达上万个器件，这些器件通过高度的集成技术组合在一起，集成技术的不断发挥可以有效降低芯片的大小，同时有利于在同样的面积上安放更多的元器件，使芯片的性能可以不断提高。世界著名的芯片制造企业——英特尔的CEO戈登在上世纪曾预计，芯片的集成程度每一年半就可以翻倍，这个预言后来被证实完全正确，这一理论也发展成后来的摩尔定律。芯片的集成度程度可以由小规模集成电路（SSI）到极大规模集成电路（ULSI）的范围衡量，其详细情况如表1所示。

3.2 特征尺寸不断减小

在芯片技术范畴内，芯片的设计尺寸评判尺度是以内部零部件最小尺寸来计算的，此尺寸也叫作芯片的特征尺寸。在上世纪，芯片的工艺落后，不论是芯片元器件还是布线尺寸都很大，大约只能达到毫米级别，而在现在，这一数字已经达到微米甚至纳米级别。光学雕刻技术和层级连线技术的不断发展是芯片特征尺寸不断减小的主要原因，而集成电路的尺寸不断减小也是未来的发展趋势。芯片特征尺寸的减小给芯片的各方面都带来了极大的好处，首先，元器件尺寸的减小意味着可以節约更多的材料，使成本得以降低，另外，特征尺寸的减小直接减小了芯片的大小，这使得移动设备可以搭载更加轻薄的各类芯片。[4]

3.3 缺陷密度不断减小

芯片的生产是一件及其精密的工作，而伴随着元器件尺寸的不断减小和制程工艺的不断提高，但是却要保证其可靠性不能有任何降低。缺陷密度是指芯片中元器件因为各种原因（损坏、短路、断路）而使芯片无法正常工作的几率，降低缺陷密度是保证芯片能够正常工作的基本措施。在一个一平方厘米的芯片上如果有多许多灰尘，那么会导致此芯片工作混乱甚至失效，通过封装等技术可以有效降低缺陷密度，但是如何保证零缺陷密度则芯片制造工艺的进一步研究。

3.4 布线越来越精密

芯片的内部连线是保证其结构和功能的关键技术，通过直径极小的精密导线将芯片中各元件连接起来，使其能够构成一个相互联系的片上系统，在这些连线中既有单一的电源性，也有信号线（占绝大多数）。芯片之所以能够实现在一个指甲盖大小的面积上布局多达数万个元器件，都归功于其布线工艺的提高。但是连线的水平也有最小的限制，就像马路的宽度也有最低的限度，不然车辆便无法通行。所以为了进一步提高元器件的密度，此时单层布线显得不合时宜，科研工作者开始研究多层布线技术，也就是在原来的芯片的上部或下部再开发一个布线区域，这样可以在不扩大面积的基础上使元器件密度和性能成倍增加。[5]

3.5 成本降低

工艺和产品提高所带来的最大影响就是芯片的成本，很有说服力的数据显示，从本世纪初到现在，芯片的存储容量从1G发展到16G，但是价格却是原来的1/3，不管从什么层次都可以计算出其性价比提升了成百上千倍。纵观芯片成本的发展史，可以总结出以下规律：首先在上世纪六七十年代，此时大规模集成电路才刚刚兴起，微型电路的生产工艺很落后，并且还没有实现自动化流水线生产，所以成本居高不下，芯片此时还未进入民用的市场;到上世纪八九十年代，自动化产线开始出现，使得芯片的成本逐渐降低，当成本达到消费者可以承受的程度时，搭载芯片的个人计算机进入到人们的视野中;到本世纪初，芯片的制造工艺和自动化突飞猛进，芯片工厂中大部分的工作都被自动化设备所取代，劳动力成本大大降低，芯片已经变成了价格亲民的高科技器件。可以预见的是，未来的芯片可能会变成和主板一样廉价的电子产品。

4 结语

在未来，半导体工业将会继续飞速发展，并将到达硅晶体管基本物理上的极限。在芯片领域，其技术不仅会在精密度、性能、功耗上不断进化，同时也将继续吸收电子信息、集成电路、人工智能等领域的成果，和计算机的其他技术一起逐渐进步。对于芯片的基底，也就是材料方面，更多的新材料将会代替现有的硅用于芯片基底的制造，例如现在已经有量产的镓/砷或复合材料为基底的芯片，该类芯片往往能够在不牺牲性能的情况下在散热性上比硅基底芯片更具优势，现在已在部分手机和轻薄笔记本中得到实际应用。另外，人工智能的技术也将深刻地影响芯片的制造，对于现在大量的AI计算和并行计算，传统芯片的运行模式显得力不从心，AI芯片的概念应运而生，其是专指能够运行人工智能程序的芯片，在运行AI程序的能力上远远超过普通芯片。可以预见的是，未来的芯片技术将继续进化，最终帮助人类迈入更加智能的科技新时代。

参考文献

[1] 刘超，傅仁利，顾席光，等.芯片级LED封装光源结构散热性能的数值模拟[J].激光与光电子学进展，2016（12）：234-243.

[2] 丛瑛瑛，陈丝.人工智能芯片发展态势分析及对策建议[J].信息通信技术与政策，2018（8）：65-68.

[3] 石春琦.汽车电子芯片的市场规模与发展趋势[J].集成电路应用，2016，33（9）：15-18.

[4] 陈钢辉，李骏，张兆新.浅谈硅芯片工艺的极限以及发展方向[J].集成电路应用，2016，33（12）：46-48.

[5] 冯洪亮，黄继华，陈树海，等.新一代功率芯片耐高温封装连接国内外发展评述[J].焊接学报，2016，37（1）：120-128.