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技術(shù)文章

芯片是這樣造出來的
芯片是這樣造出來的

1.應(yīng)用材料公司無塵室
在進(jìn)入梅坦技術(shù)中心以前，你必須穿上防護(hù)服，戴上面具、護(hù)目鏡、兩幅手套以及將鞋完全套住的塑膠袋。記者甚至不能將筆記本帶入內(nèi)：相反，應(yīng)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**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(yīng)用材料公司的設(shè)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(shù)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》記者對半導(dǎo)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
芯片制造的核心技術(shù)是平版印刷（光刻），這種技術(shù)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(jī)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(xué)特性會被削弱，使硅芯片表面留下圖案。接著，硅芯片會被送入一個「化學(xué)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(shè)備會用各種材料填補(bǔ)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芯片上的圖案。

3.技術(shù)的機(jī)器設(shè)備
隨著硅芯片被送進(jìn)制造車間，它將經(jīng)過多達(dá)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(yīng)用材料公司的Endura機(jī)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芯片。據(jù)應(yīng)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(yīng)用材料公司TetraIII先進(jìn)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(yīng)用材料公司正在開發(fā)和測試新制造設(shè)備，該公司將大量資金投入到科研領(lǐng)域。2009年，應(yīng)用材料公司在研發(fā)方面的投入高達(dá)9.34億美元，相當(dāng)于年?duì)I收的20%左右。

4.平板印刷室一瞥

根據(jù)現(xiàn)階段的技術(shù)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(shè)計，這會使得芯片零部件的尺寸更小。有些零部件的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過寬度，有時，這一比例達(dá)到60比1，進(jìn)一步增加了芯片制造的難度。因?yàn)檫@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(diǎn)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)
技術(shù)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(jī)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(jī)飛行軌道所在位置）的氣壓為10-10個大氣。

6.「此處無金屬」
Centura機(jī)器右側(cè)的銀色金屬設(shè)備是一個斗式裝載機(jī)（batch loader），用于快速給一疊硅芯片降壓，然后將它們輸送至Centura機(jī)器中加工。綠色「無金屬工具」標(biāo)識意味著，這臺機(jī)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(jī)器需要進(jìn)行小心隔離。

7.前置式晶圓傳送盒
過去幾十年，用于制造芯片的硅芯片在尺寸上穩(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，硅芯片直徑的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一直為300毫米。為簡化傳送過程，將污染的風(fēng)險降至低程度，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個硅芯片。它們能夠被放在應(yīng)用材料公司大多數(shù)機(jī)器的前端。接著，機(jī)器吸入里面的硅芯片，一個個地自動快速加工。

8.高度自動化
因?yàn)榉艥M硅芯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(shè)計的重要部分。應(yīng)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)，多可以放置700個前置式晶圓傳送盒（可裝1.75萬個硅芯片）。機(jī)械臂將它們從兩側(cè)移進(jìn)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。現(xiàn)代無塵室中的每一臺機(jī)器都圍繞300毫米的硅芯片設(shè)計和制造。新一代芯片將采用450毫米的硅芯片制造，從而實(shí)現(xiàn)更大的規(guī)模效益。但是，要與450毫米的硅芯片兼容使用，整個行業(yè)必須更換每一個設(shè)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(shí)現(xiàn)了這種過渡，這會是應(yīng)用材料公司、英特爾、AMD等企業(yè)之間長期談判的終結(jié)果。

9.零部件**制造
雖然電腦芯片僅相當(dāng)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(jī)器、再將機(jī)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）的圓形硅芯片制造，每個可以包含200個獨(dú)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(jī)器的成本高達(dá)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(jī)器的成熟晶圓廠，建造成本達(dá)數(shù)十億美元。2009年，全球半導(dǎo)體銷量總額達(dá)2263億美元，像英特爾這樣的公司是世界上錢的企業(yè)之一。

10.技術(shù)人員休息時間
身穿防護(hù)服的工程師和技術(shù)人員在無塵室內(nèi)工作，他們負(fù)責(zé)設(shè)計和監(jiān)督機(jī)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(shù)人員此時就可以稍微輕松一下。穿上或脫下這種多層防護(hù)服，每次大概需要10分鐘時間。雖然有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)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(shù)人員在機(jī)器運(yùn)行時通常不會走出無塵室，而是使用房間內(nèi)的筆電處理其他事務(wù)。比如，分析數(shù)據(jù)，寫報告，查看郵件。當(dāng)他們做這些事情的時候，其實(shí)正用到在這樣的無塵室內(nèi)制造的芯片。

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