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从提炼沙子出发,带你看懂芯片加工的整个工艺流程

作者: 发表时间:2020-12-24 17:18:39

芯片,在现代科技应用领域,是一个崛起的大国必须掌握芯片技术。芯片,看似很小,大概也就几厘米,但它的整个工艺过程所涉及的技术却相当复杂,甚至远超飞机炮弹的生产。方寸之间,包含


芯片,在现代科技应用领域,是一个崛起的大国必须掌握芯片技术。

芯片,看似很小,大概也就几厘米,但它的整个工艺过程所涉及的技术却相当复杂,甚至远超飞机炮弹的生产。方寸之间,包含数十亿个晶体管,有人说,用高倍显微镜来观察芯片的内部结构,比世界上任何一座建筑都要复杂和庞大。

曾经有人说,举全国之力来做一颗芯片,还做不出来吗?是的,还真做不出来,因为,芯片这东西,不是说有钱有人就能够快速从无到有的,还需一个重要的因素:时间。所有高端技术是通过时间的不断积累,才达到今天的高度。

那制造芯片到底有多难呢?我们得说起,首先看看芯片是怎么做出来的。

一、芯片架构

制造芯片之前,需要设计芯片。芯片设计需要有相应的芯片架构,芯片架构就好像房子的结构框架,比如木结构,土木结构,混凝土结构,钢结构等等。现在全球主的要芯片架构主要有四种,分别为:X86、ARM、RiSC-V和MIPS四种。

1、X86架构由美国INTEL公司在1978年发明,中架后面的AMD,IBM也沿用这种架构分别研发了自己芯片,现在PC机上面运行的CPU基本都是X86架构,X86架构的特点是性能高,速度快,兼容性好。

2、ARM是1983年由英国ARM公司发明的,是一个32位精简指令集处理器架构,其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于能耗低,成本低的特点,ARM处理器非常适用于移动通讯领域,符合其主要设计目标为低耗电的特性。现在使用ARM的芯片公司主要有苹果,谷歌,IBM和华为。因为是ARM发明的,这个芯片公司要研发ARM架构的芯片,首先必须取得ARM的授权,否则就不能进行更新迭代。

3、RiSC-V架构是基于精简指令集计算(RISC)原理建立的开放指令集架构(ISA),RISC-V是在指令集不断发展和成熟的基础上建立的全新指令。RISC-V指令集完全开源,设计简单,易于移植Unix系统,?榛杓疲暾ぞ吡矗庇写罅康目词迪趾土髌咐玫胶芏嘈酒镜娜峡伞iSC-V架构由RiSC-V架构基金会运营,目前拥有成员超275名,其中软、硬件公司和机构会员达169家,阿里,谷歌,华为科技,紫光科技都是它的成员。阿里旗下的玄铁系列就是使用RiSC-V架构。

4、MIPS架构是美国MIPS科技公司在1981年发明的,是一种采取精简指令集(RISC)的处理器架构,它是基于一种固定长度的定期编码指令集,并采用导入/存储数据模型。经改进,这种架构可支持高级语言的优化执行。其算术和逻辑运算采用三个操作数的形式,允许编译器优化复杂的表达式。

如今基于该架构的芯片广泛被使用在许多电子在线沙巴体育、网络设备、个人娱乐装置与商业装置上。最早的MIPS架构是32位,最新的版本已经变成64位。

从上面的资料可以看出,当前主流的芯片技术都在美国和英国所控制,特别是在应用最为广泛的PC和移动端芯片,通过几十年的沉淀和完善,其他国家如果想要从零开始赶超,可以说比送宇航员登月还要难。

看了芯片架构,我们接着开始芯片设计,因为芯片的设计不同于其它工业设计,需要用到专用的设计软件。

二、芯片设计

芯片的设计软件有很多种,不同的设计需求使用对应的设计软件,现在主要的芯片设计软件有以下几种:

1、设计输入工具:

像Cadence的composer,viewlogic的viewdraw,硬件描述语言VHDLVerilog HDL是主要设计语言,许多设计输入工具都支持HDL.另外像Active-HDL和其它的设计输入方法,包括原理和状态机输入方法,设计FPGA/CPLD的工具大都可作为IC设计的输入手段,如Xilinx、Altera等公司提供的开发工具,Modelsim FPGA等。

2、设计仿真工作:

EDA工具的一个最大好处是可以验证设计是否正确,几乎每个公司的EDA在线沙巴体育都有仿真工具。Verilog-XL,NC-verilog用于Verilog仿真,Leapfrog 用于VHDL仿真,Analog Artist用于模拟电路仿真。Viewlogic的仿真器有:viewsim门级电路仿真器,speedwaveVHDL仿真器,VCS一verilog仿真器。Mentor Graphics有其子公司Model Tech 出品的VHDL和Verilog双仿真器:Model Sim.Cadence,Synopsys用的是VSS(VHDL仿真器)。现在的趋势是各大EDA公司都逐渐用HDL仿真器作为电路验证的工具。

3、综合工具

综合工具可以把HDL变成门级网表。这方面Synopsys工具占有较大的优势,它的Design Compile是作综合的工业标准,它还有另外一个在线沙巴体育叫Behavior Compiler,可以提供更高级的综合。另外最近美国又出了一家软件叫Ambit,说是比Synopsys的软件更有效,可以综合50万门的电路,速度更快。今年初Ambit被Cadence公司收购,为此Cadence放弃了它原来的综合软件Synergy.随着FPGA设计的规模越来越大,各EDA公司又开发了用于FPGA设计的综合软件,比较有名的有:Synopsys的FPGA Express,Cadence的Synplity,Mentor的Leonardo,这三家的FPGA综合软件占了市场的绝大部分。

4、布局和布线

在IC设计的布局布线工具中,Cadence软件是比较强的,它有很多在线沙巴体育,用于标准单元、门阵列已可实现交互布线。最有名的是Cadence spectra,它原来是用于PCB布线的,后来Cadence把它用来作IC的布线,其主要工具有:Cell3,Silicon Ensemble标准单元布线器;Gate Ensemble门阵列布线器;Design Planner-布局工具。其它各EDA软件开发公司也提供各自的布局布线工具。

5、物理验证工具

物理验证工具包括版图设计工具、版图验证工具、版图提取工具等等。这方面Cadence也是很强的,其Dracula、Virtuso、Vampire等物理工具有很多的使用者。

6、模拟电路仿真器

前面讲的仿真器主要是针对数学电路的,对于模拟电路的仿真工具,普遍使用SPICE,这是唯一的选择。只不过是选择不同公司的SPICE,像MiceoSim的PSPICE、Meta Soft的HSPICE等等。HSPICE现在被Avanti公司收购了。在众多的SPICE中,最好最准的当数HSPICE,作为IC设计,它的模型最多,仿真的精度也最高。

上面说了这么多,很多人也看不懂,只想告诉大家一件事情,这些设计软件的拥有者基本都是美国公司,使用这些软件,都需要进行购买,如果有一天,这些公司不要开放给其它国家的芯片公司使用,只要在后台把权限一切断,就什么都开不了,因为每一个软件的使用的终端都有一个ID,可以随时把ID的权限关闭。VX封号,大家有体验过就明白了。

也有朋友说,不就是一个软件吗?他不给买咱们写一个出来就行了,其实这种工业设计软件不是我们常用的APP,几个月就能开发一个,这种软件也是需要通过长期的研发,再通过不同的场景应用再进行升级完善。而且中间牵涉到的算法也非常复杂,需要应用到数学,物理,工程学等各种学科。从来开发这样的软件,没有10多20年是拿不下来的。

芯片设计出来了,终于要开始生产了

三、芯片制造

前面说了这么多,都不是特别卡脖子的,目前中国最缺乏的是制造工艺技术,从材料上看制造芯片的原料绝大部分来源于沙子,随处可见,储量非常丰富,取之不尽,用之不竭,所以原材料是不缺的,但技术缺失是一大痛点。下面按步骤来制作:
  • 1、对沙子进行脱氧,提取沙子中的硅元素,这也是半导体制造产业的基础元素。
  • 2、硅熔炼 ,通过多脱氧,熔炼,净化得到大晶体,就是大大的一坨,学名叫作硅锭。
  • 3、硅锭切割,把硅锭横向切割成圆形的单个硅片,也就是大家所说的晶圆,晶圆会进行抛光打磨,打磨甚至可以拿出来当镜子用的光滑度。
  • 4、涂胶,在旋转过程中向晶圆上均匀的涂上一层薄薄的胶。
  • 5、光刻、通过光刻机把一个已经设计好芯片电路的芯板上所有的电路图都刻在晶圆上,此时形成了芯片的核心电路图案。
  • 6、掺杂、在真空中向硅中添加其它的元素,以改变这些区域的导电性,这是为了下一步半导体晶体管制造奠定基础。
  • 7、MOS管制造,MOS管是构成芯片门电路的核心,一个芯片有几十亿个这样的晶体管来组成,这一步主要的工艺就是制造MOS晶体管,形成MOS管包括元极,漏极,门极,沟区等在内的原件,然后盖上一层黄色的氧化层,再在最外层再覆盖上一层铜,以便能与晶体管进行电路的连接。最后一道工序就是把它们磨平
  • 8、按照同样的工序制造几十亿个这样的晶体管,晶体管之间通过这些错综复杂的电路相连接,形成一个大型的集成电路。
  • 9、检测、丢弃有瑕疵的内核,这些晶体都是在纳米级别的测试过程中,发现有瑕疵的内核将被抛弃。
  • 10、切割、这样一个晶圆上一次会产生多个芯片内核,现在把它切割成每一个单独的芯片内核,切割后的芯片内核安装在芯片的基座上,这就是一个芯片的成品了。
  • 11、等级测试以及评定、对芯片的最高频率,功耗,发热等进行评价,按照测试结果,评定以不同的型号进行出厂销售。

这就是制造一个芯片的全过程,看起来只有这11步,其实中间的工序有数千道,就是光刻这一道工序要经过上千次的反复操作。工序繁杂,对工艺的要求就非常高,不然生产出来的良品率会非常低,芯片的生产的每一道工序,必须达到100%的良品,就算每一次达到99%,到了最后一道,良品率可以还达不到10%,这样制种出来的芯片成本会非常高。

 

说到芯片的制造,现在全球能生产芯片的公司有以下十家:

1、美国的英特尔

2、韩国的三星

3、美国的德州仪器nm

4、日本东芝

5、日本索尼

6、台湾台积电

7、意大利和法国的意法半导体

8、日本的瑞萨

9、韩国的海力士

10、中国的中芯国际

其中美国有3家,日本有3家,韩国有2家,中国有2家,能够生产7nm制程却只有两家,分别是台积电和三星。

虽然上面的这些公司都能生产芯片,但是都需要一件关键设备:光刻机,现在全球能生产光刻机的企业只有一家:荷兰ASML(阿斯麦尔)。如果ASML不向以上10家芯片生产企业的某一家销售光刻机,那么这家企业的工艺制程就只能停留在当前的水平,再也无法向前,竞争,是不存在,这就是赤裸裸的垄断。

有些人也许会问,ASML是荷兰公司,和西方大国的打压行动没有关系,这样想就错了,ASML的机器当初发展的时候因为缺资金,只好找客户来投资,才得发展,所以,ASML的光刻机基本属于自产自销,其中最大的股东就是美国的英特尔,在某种程度来说,虽然ASML是荷兰企业,却是美资控股。

为了彻底控制芯片产来整条供应链,西方大国从很早开始,就开始了布局,从芯片架构到芯片设计,然后再芯片生产,牢牢把握住了话语权。

当然,国内也有一些企业深耕于芯片工艺制造上,下面卓茂就从主要的工艺项目上罗列一下:
半导体原材料企业:中能硅业科技、中环半导体、晶龙集团、新特能源、西安隆基、中硅高科、阳光能源、奥瑞德光电、天宏硅业、上海申和热磁(日企独资)、国盛电子、江丰电子材料、有研亿金、北京达博、上海新阳、安集微电子、有研新材料、湖北兴福电子、江化微、金瑞泓;
半导体设备企业:北方华创、中微半导体设备、上海微电子装备、拓?萍肌⒅械缈频缱幼氨讣拧⒅形氲继澹咝腔础⒒G蹇啤⑸钅系缏贰㈩@蒲б瞧鳌⑸虾N⒌缱印⒋镆旰憔芑怠⒑好窨萍肌㈢瞪璞浮⑸虾?悼耸松堂常
半导体制造:中芯国际、华润微电子、华虹宏力、华力微电子、西安微电子、和舰科技、武汉新芯、君耀电子、华微电子、上海贝岭、苏州固锝、扬杰科技、士兰微、东晨电子、先进半导体、无锡纳瑞电子、芯原股份、西安航天华迅、高云半导体,方正微电子;

半导体封测公司:通富微电、天水华天、南通华达微电子、威讯联合半导体、海太半导体(无锡)有限公司、江苏新潮科技、安靠封装、晟碟半导体、日月光半导体、矽品、力成、南茂等;
 


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