“芯”的那些事
2022-06-13
芯片制造——“沙子变形记”
1959 年，美国电子工程师杰克·基尔比成功制造出世界上第一块芯片，将人类科技水平推向一个新的高峰。如今，芯片不仅在智能手机、电视机、计算机、汽车等设备上被广泛应用，在军事、通信等方面也不可或缺。
然而，一块小小的芯片究竟是如何被制造出来的，你真的清楚吗？
打造地基——晶圆
沙子中含有的硅元素是地球地壳中第二大组成元素，约占地壳总质量的25%。硅的化学性质稳定，具有优异的半导体特性，是芯片制造的“灵魂”原料。
芯片制造的第一步，就是要将从二氧化硅中提炼出的高纯度硅晶体制成硅锭，再将硅锭切割成圆盘，并将其抛光后形成晶圆，晶圆相当于芯片的“地基”，芯片就是以晶圆为“地基”，再将所需的电路和器件“建”在上面。
知识小贴士
99.999 999 999%是芯片制造对硅材料的最低纯度要求，即每10 亿个硅原子中不得超过1 个杂质原子。
光刻
芯片内的距离以纳米为单位，芯片制造需要用到光刻工艺。
在晶圆上涂一层特殊的光刻胶，再将包含数十亿个电路元件的芯片“蓝图”制作成掩膜，利用光的投影将缩小版的掩膜投影到晶圆的光刻胶膜上。光刻胶膜发生光化学反应，被光照过的地方变得可溶于水，经过显影清洗后留下的图案与掩膜上的一致。再用特制的化学药水蚀刻暴露的晶圆，蚀刻完成后，清除所有光刻胶，便能得到纵横交错的电路沟槽。
知识小贴士
纳米是长度单位，1 nm 相当于4 倍原子大小。我们常见的芯片有14 nm 芯片、7 nm 芯片、5 nm 芯片。
掺杂
通过离子注入赋予硅晶体管的特性。
为了改变某些区域的导电性，覆盖了光刻胶的晶圆经过离子束轰击后，未被光刻胶覆盖的部分嵌入了杂质，杂质会改变某些区域内硅的导电性。
知识小贴士
在芯片制造过程中，约有70 多道离子注入工序，对离子注入能量需要控制得很精准，并要求在工艺上精益求精。
薄膜沉积
通过化学或者物理气相金属沉积，再重复光刻和蚀刻工艺，进行金属连接。
一块运作正常的芯片需要连接数以百万计的传导线路，包含几十层结构，每层结构都离不开光刻和蚀刻。从平面看，芯片像密集交织的高速公路；从立体看，芯片就像是拥有许多房间、楼宇的“超级城市”。
封装与测试
封装是把裸片放在一块基板上，引出管脚后固定包装成为一个整体。测试是对已制造完成的芯片进行结构及电气功能的确认，以保证芯片符合系统的需求。
图2 自动化封装设备（图/新华社 刘 潺 摄)
芯片中的“珠穆朗玛峰”
图3 “神威·太湖之光”超级计算机使用的国产芯片（图/新华社）
CPU 被称作芯片中的“珠穆朗玛峰”，是所有时期各种电子元件构成的计算机中央处理器的统称。其结构主要包括控制单元、运算器、高速缓存器、动态随机存取存储器四个部分，分别对应控制、运算、高速数据交换存储、短暂存储四个用途。
CPU 作为电子终端产品的核心部件，被大规模应用在电脑、大型服务器、商用无人机等设备上。
知识小贴士
芯片的大致分类
按不同的处理信号可分为模拟芯片、数字芯片。
按国际标准分类方式可分为集成电路、分立器件、传感器、光电子。
按电路可分为模拟集成电路、数字集成电路、混合信号集成电路。
按使用功能可分为GPU、CPU、FPGA、DSP、ASIC、SOC。
按不同应用场景可分为民用级（消费级）、工业级、汽车级、军工级、航天级。
