科技时代新浪首页 > 科技时代 > 业界 > 正文

一块芯片的诞生:纳米级别的微雕


http://www.sina.com.cn 2005年08月20日 08:23 经济观察报

  -本报记者 漏丹 北京报道

  如果你拆开自己的手机,找到手机里面的那块芯片,拆开封装,芯片上会有一个标记,凭借这个标记,你可以追溯这块芯片的一生。

  一块芯片通常需要经过300多道工序,才能被制成。工程师需要事先设计好一切,考
虑到所有细节,包括每一步骤所使用的特殊材料、气体以及所需要的时间。

  中芯国际会同时生产几十种芯片。每一种芯片的生产工序在电脑中被设定以后,每一片晶圆都会被打上“身份证号码”。工程师、一线工人和客户,通过中芯国际的内部网站,输入任意一片晶圆的号码,就可以知道某一时段,这块晶圆在哪道工序接受什么加工。

  中芯国际是目前世界上排名第三的晶圆代工厂,它已经拥有了世界上最先进的90纳米的芯片制造工艺。也就是说,可以刻出的最细线条已经比头发丝的千分之一还要细。难怪中芯国际CEO张汝京曾经开玩笑说:“我们就是搞微雕的。”这种“微雕产品”怎样蕴涵了那些不可思议的技术?本报记者带您一起走进最现代化的工厂探秘。

  比药厂干净一万倍

  晶圆是芯片所使用的主要材料,其主要成分是石英砂。最初晶圆的直径只有1英寸,现在晶圆的直径已经可以到达12英寸。晶圆直径越大,一次在其上可以制成的芯片越多,意味着芯片的成本越低。

  一块12英寸的晶圆原材料,价值在500美金左右;制成晶圆后,价值大约在2000美金左右。金刚石切割圆柱形的晶锭得到晶圆原材料,研磨以后,变成镜子般光滑的薄片。

  这些薄片在洁净度为一级的环境里进行芯片制造。一级洁净度的意思是每立方英尺的空气中最多只能有一粒直径小于0.3微米的灰尘。

  厂区内保持恒温恒湿。这里的温度在22度,误差在正负0.5度之间;湿度保持45%,误差在正负5%之间。为了确保这种条件,工厂上方有一层“过滤空调单元”,那里安装着巨大的风机,从室外进入的新空气需要经过过滤、完全加湿、除湿、水洗等多次加工,才被输送到厂区。为了保持洁净,厂区的大气压会比外面稍大一些,使得粉尘不易进入。

  在厂区内,工程师和一线操作工人都穿着特制的白色连衣服、白鞋子,戴着白口罩,像SARS时期的医护人员穿的防护服。在进入厂区时,他们都已经冲洗并烘干了惟一裸露在外的双手。设备检测员则穿着样式相同的绿色防护服。这些检测人员来自设备供应商,有时候一个设备的安装和测试可能长达半年时间。

  他们脚下的地板也是非常特殊的,称为高架层。在最初修建时,这一层大约一膝高的水泥地板上布满一个个巨大的空洞,然后再铺上布满小洞的高价地板。至上而下吹过的空气,会从这些小洞里把细小的尘埃带走。

  中芯国际顾问郑敏政说:“有的

保健品生产厂在十万级洁净度的空间生产,也就是一立方英尺内有十万粒灰尘,我们的厂区洁净度是十级,要比他们干净一万倍。”

  厂区里到处可见排列整齐的一个个大约14寸电视机大小的黑色芯片盒,以及一台台衣柜般的白色设备,每一台设备都有外接的显示器和键盘等输入输出设备,技术人员在那里监测和控制设备内部的操作。

  每个芯片盒里面装25片晶圆,这些芯片盒盖打开后可以与各种设备完全对接。芯片盒和设备内部的空间都达到一级洁净度,而外部厂房的空间则根据不同部分可以分别处在百级洁净、千级洁净或者万级洁净。

  “以前加工时是裸片操作,保持十级洁净度的成本非常大,必须把工厂分隔成小的车间,降低了工厂扩充产能的效率。”中芯国际夏鹰说,“如今操作都是设备内部完成的,一个生产区就有几千平方米,我们现在是真正意义上的大工厂。”

  纳米级别的微雕

  记者站在1万级洁净的外围走廊里观看几千平方米厂区内的生产流程。

  在厂区中间的房顶,一台台方头方脑的运输机正沿着轮轨把芯片盒运到它们该到的操作部门。

  在晶圆上,首先要做器件层,即安装二极管和三极管,可以理解为装“灯泡”和“开关”。然后,再在器件层上做金属层,可以理解为“布电线”,目前一般是6-9层。只不过,晶圆上的电灯、开关和电线,是用各种离子做成的。

  晶圆先被放到扩散区,在900度到1100度的高温下,在表面长成一层氧化膜,之后送到曝光区,并涂上一层光刻胶。根据照相原理,被光刻胶覆盖的晶圆实际上变成了底片。曝光机将掩模版上的电路式样通过紫外线进行拍摄。凡是紫外线到达的地方,光刻胶都感光。由于一片晶圆上可以有几十个甚至几百个晶粒(晶粒制成后切割下来就是芯片,芯片大小由电路设计决定),曝光机会按顺序锁定每一个晶粒进行拍摄。在直径12英寸内的区域里,曝光机移动拍摄时速高达80公里。

  然后,晶圆被运到刻蚀区,氧化膜被分解掉的地方,被刻蚀出一条条一定深度的凹槽。在这些可能只有90纳米宽的凹槽里注入离子,最后再把晶圆打磨平整。以前,芯片上的“电线”一般用的是铝离子,但是在90纳米的水平上,铝容易飘移,在国际上,已经开始用铜来替代铝,制造工艺完全不同。2002年,中芯国际也成功地做出了第一片铜芯片。

  上面描述的这个流程需要反复进行。因为通常制造一块芯片需要25到30个不同的掩模版。这些掩模版上的电路式样分别按照上述流程被“拍照”到同一晶粒的同一位置上。

  可见,曝光机必须非常精准,毕竟,这是在纳米层次上的操作。曝光机通常来自荷兰的ASML公司,或者是日本的佳能和

尼康,每一台价值一千万美元以上。

  每完成一个步骤,晶圆都需要用超纯水“洗个澡”。中芯国际为此建立了中央动力室,那里有29个废水处理系统,用来处理晶圆生产过程中的各种废水。清洗过晶圆的超纯水经过加工,会重新做成超纯水进行回用。

  晶圆在生产中也会使用到300多种气体,例如在干刻蚀和注入离子的过程中,都会运用到多种惰性气体。在中芯国际工厂旁边,已经建起了一家专门为之供应部分气体的公司。

  大约在工厂里呆两个月左右的时间,最后晶圆就可以成功出厂了。他们看上去仍然是老样子,仍然是装在芯片盒里的一个个圆形的薄片。不过,等运到封装测试的地方之后,这些晶圆会被切割封装,变成真正的芯片。

  资料

  芯片正在改变生活

  世界上第一台电脑“埃尼阿克”是一个庞然大物,一共使用了18000个电子管,需要用一间30多米长的大房间才能存放。而现在,一台

苹果或者索尼的笔记本真的只有“笔记本”的大小了。

  从大哥大到小巧玲珑的手机、从笨重的老式电视机到轻薄的纯平电视机,这些终端消费品变得越来越轻巧便携。这一切的秘密要归功于芯片行业的不断晋级。

  现在的技术能力已经达到把5亿多个晶体管排放在指甲盖大小的芯片上。今天,芯片行业的一大趋势就是进入纳米阶段。

  据专家估计,到2020年,芯片制造的工艺可能达到5纳米,到时候一个指甲盖大小的芯片上也许容纳的就是整个电脑系统上所有的集成电路了。


  爱问(iAsk.com)


评论】【收藏此页】【 】【多种方式看新闻】【下载点点通】【打印】【关闭




科技时代意见反馈留言板 电话:010-82628888-5828   欢迎批评指正

新浪简介 | About Sina | 广告服务 | 联系我们 | 招聘信息 | 网站律师 | SINA English | 会员注册 | 产品答疑

Copyright © 1996 - 2005 SINA Inc. All Rights Reserved

版权所有 新浪网