芯片上有成千上萬個晶體管,是怎麼安上去的?

小鳥140772509


我們的手機和電腦裡都是安裝了各種類型的芯片,芯片本身是由數以億計的晶體管組成的,而芯片是在硅晶圓的基礎上一步一步製造出來的,而且這個過程非常複雜,涉及到光刻、離子注入、蝕刻、曝光等一系列步驟,由於芯片對硅晶圓的純度和光刻精度要求非常高,所以這都需要各類高端高精尖的設備才能進行,如果有雜質和誤差問題,那麼芯片也就無法正常工作。

所以說芯片當中數以億計的晶體管都是在硅晶圓上用光刻機光刻或者蝕刻上去的,之後還要以類似的方法做上相應的電路和連線,從而才能保證晶體管的正常通電工作。當然,為了保證晶體管佈局的準確無誤,在芯片製造之前就必須把圖紙或者電子圖設計好,這往往需要相當長的時間,也需要經過多次驗證和試產階段,只有準確無誤的將複雜無比的電路給到一顆顆晶體管上面,並且能保證正常工作才可以開始投產製造。

雖說半導體芯片的製造工藝不斷升級,但是晶體管本身的大小並沒有明顯變化,在大約10多年以前,晶體管大都是以2D平面式佈局在芯片當中,但是自從2011年英特爾推出3D晶體管層疊結構以來,晶體管便能以層級堆疊的形式排列起來,這樣就大大增加了晶體管密度,同時藉助更先進的製造工藝,晶體管之間的間距也變得更小,這樣在同樣大小的芯片中才能獲得更高的性能或更低的功耗,半導體芯片這麼多年也都是按照這樣的理念發展的。


嘟嘟聊數碼


我一定要回答一下這個問題!

首先我們要知道,一塊小小的芯片上面可不是“成千上萬個晶體管”,而是十億、數十億個晶體管。比如說華為用在手機中的麒麟980芯片(只有指甲蓋那麼大),這上面就集成了將近70億個晶體管。

而想要把這些晶體管裝到芯片上面,靠人工可是不行的,靠自動化的機器也是不行的,因為這些晶體管不僅特別小,而且數量特別多,就算是自動化的機器也沒辦法很快安裝好。

那麼人們是怎麼把這些小晶體管“裝”到芯片上的呢?

我們在說具體的方法之前,我們先說一個事情:你想要在電腦上畫一個非常複雜、但是有規律的圖其實是非常容易的,尤其是像芯片電路這樣重複性很高的圖片,只要你畫出來一個單元,然後儘管複製就行了(如下圖所示,這種重複性的工作在電腦上的操作是非常容易的)。

所以我們就只要把電腦畫出來的圖片給“打印”成電路就行了。

有人會想了:我們只聽說過激光打印、噴墨打印,難道說電路還可以打印出來嗎?

沒錯,電路就是可以打印出來——事實上這就是芯片怎麼生產出來的。

下面這幅圖就是光刻機的原理。電路的形狀一開始是畫在一張比較大的分劃板上的,然後通過透鏡把電路的圖案縮的很小,然後照射在塗抹了光刻膠的金屬板上(就是所謂的晶圓了)。光線把光刻膠雕刻成你需要的電路的形狀,然後就可以進行進一步的蝕刻。

下面這幅圖這是蝕刻的過程。可以看到,沒有光刻膠的那部分金屬在化學物質的作用下被溶解了,然後晶圓表面就變成了我們想要的形狀。整個大規模集成電路光刻和蝕刻的過程可以見再下一張圖。

上面就是工程上把電路打印出來的過程,所以只要你可以把電路圖畫出來,那麼就可以進一步地把電路打印出來——自然不需要你一根一根地往上安裝了。

不知道我說明白沒有,歡迎大家點贊、評論、關注走一波呀!


航小北的日常科普


芯片裡的晶體管用萬的單位來統計是不夠的,至少要用億來統計,像一個7納米的芯片邊長差不多就1.5釐米,要在體積那麼小的芯片裡放入幾十億的晶體管,必須要用到特殊的技術和工藝。

芯片能夠放入那麼多的晶體管,內部結構是採用層級堆疊的技術

芯片雖然體積小,但內部結構是錯綜複雜的微電路。通過X射線觀看芯片內部結構,可以看到有很多層級,上下交錯層疊大概有10層,每一層都有晶體管,通過導線相互連接。在生產的過程中,先完成第一層再向上遞進,就和蓋樓差不多。



新型的鰭式場效晶體管體積更小,還具有3D結構、雙向控制的特性

鰭式場效晶體管技術是一種新型的半導體晶體管,這種晶體管和魚鰭很像,已經達到了9奈米,是頭髮絲的萬分之一。如果是傳統的晶體管,電流經過閘門時只能管控一邊的電路,屬於平面結構的類型,而鰭式場效晶體管實現了3D結構,電流可以實現雙向控制。


最先進的EUV光刻設備是晶體管注入的必備條件

光刻機的紫外線要從原來的193nm提升到13.5nm,那就要使用最先進的EUV光刻設備進行光刻。 完成後就要用化學物質蝕刻掉多作餘的硅體,通過感光產生二氧化硅這種物質,再加入多晶硅基本就可以形成門電路,建立各個晶體管之前的連接。通過這種操作方式,一次可以注入大約3000萬個晶體管。



芯片的體積和功耗要求越來越高,對於半導體晶體管來說,要不斷突破現有技術,做到更精細,才能滿足芯片的要求,人類也在不斷創造著晶體管的技術極限。


星河方舟


這套工藝叫“平面處理工藝”,1958年由剛成立不久的仙童半導體公司發明。當時仙童剛成立不久,急需通過新的晶體三極管生產技術在市場立足。公司的領導人鮑勃.諾伊斯(英特爾公司創始人)讓戈登.摩爾(諾伊斯的合作伙伴,英特爾公司創始人,摩爾定律提出者)和員工金.赫爾尼分別組成兩個技術攻關小組,展開競賽,研究一種嶄新的晶體三極管生產工藝。

競賽的結果是,赫爾尼贏了,發明了被芯片產業應用至今的“平面處理工藝”。

赫爾尼是從當時的照相平版印刷技術得到靈感的,所以“平面處理工藝”從流程上看,和印刷一本書/雜誌非常相似。

下面以晶體三極管為例,

簡要說說它的流程:

  • 首先是畫出晶體三極管的電路佈局圖,對它照相,將佈局圖縮小成一張小小的透光膠片;

  • 其次,將硅晶圓切成薄片,打磨拋光後塗上一層感光材料;

  • 第三,用強光(最初是可見光,後來用激光和紫外光)將膠片上的圖案投射到塗了感光材料的硅片上;

  • 第四,用酸性物質把硅片上未曝光的區域蝕刻掉,然後根據設計要求加入半導體雜質(擴散摻雜),或者鍍上金屬導體或絕緣體;

在“平面處理工藝”發明之前,所有的晶體三極管都是用手工一個一個製作,半導體企業的車間像小作坊,產品難以大規模生產,而且質量不穩定(手工生產的短板),尺寸較大(人眼分辨率有限),無法小型化。

“平面處理”工藝出現之後,可以做到:

  • 能夠無限量大規模製造(想想印刷書本),使得晶體管的成本可以降到極低,現在芯片上的單個晶體管成本比書籍上的一個字母的印刷成本還低;

  • 只要提高鏡頭的分辨率,並採用波長更短的光源,就可以製造出尺寸極小的晶體管,而晶體管尺寸越小,成本越低(用到的硅材料越少,產量越大),開關速度也會越快;

可以說,”平面處理工藝“出現之後,集成電路也就是芯片才成為可能。

現代芯片製造工藝極其複雜,但基本流程和”平面處理工藝“相同。


”平面處理工藝“一直沿用至今,現在的芯片製造技術是在它基礎上的不斷改良,比如增加鏡頭精度,選用波長更短的光源等。

仙童公司憑藉”平面處理工藝“成功超越當時的半導體巨頭德州儀器,成為今天硅谷的祖宗公司。今天硅谷的半導體芯片公司,其創始人絕大部分就來自仙童公司。


魔鐵的世界


芯片上有成千上萬個晶體管,這已經是一種常識,但是成千上萬個晶體管不是安裝上的。因此要回答這個問題我們得了解一下芯片的製作過程,只有知道了製作過程,這個問題就迎刃而解了。

芯片是如何製作的

芯片製作完整過程包括芯片設計、晶片製作、封裝製作、成本測試等幾個環節,其中晶片製作過程尤為的複雜。

1、芯片的原料

製作芯片的成分主要是硅,硅主要是從石英砂中提煉出來的,晶元是硅進行純化之後的材料,下一步就是將這些純硅製成硅晶棒,然後再將硅棒切成硅片,這個硅片就是芯片製作需要的晶圓。

2、晶圓塗膜

晶圓塗膜能抵抗氧化以及耐溫能力

3、晶圓光刻顯影、蝕刻

晶圓光刻顯影主要是使用了對紫外光敏感的化學物質,遇到紫外線則變軟。通過控制遮光物質的位置可以得到芯片的外形。然後在硅晶片塗上光抗蝕劑,使得遇到紫外光就會溶解。然後將溶解的部分用溶劑將其沖走。這樣剩下的部分就是沒有被溶解的地方。而這個也正是我們所需要的。二氧化硅就是這樣形成的。

4、參加雜質,形成PN結

這一步最重要的是植入離子,生成相應的PN結,即PN半導體,我們知道CPU芯片其實就是由很多二極管構成的。具體是從硅片上暴露的區域開始,放入化學離子混合液中。這可以改變攙雜區的導電方式,這樣就可以讓每個晶體管可以通、斷。簡單的芯片可以只用一層,但是複雜的芯片通常需要很多層。然後重複以上流程,然後每一層通過導體連接起來,這一點就相當於我們的PCB層一樣,每一層都有導體能夠互相連接這樣就是一個立體的晶體管結構。

5、晶圓測試

經過以上寄到工序之後我們的晶圓上就形成了一個個的格狀的晶粒。然後通過針測的方式對每個晶粒進行電氣特性檢測。在這個階段,晶圓的測試是一項很複雜的過程,需要測試每一個晶粒,因為每個芯片擁有這龐大的晶粒數量,因此在測試的時候最好是大批量同規格構造型號的大批量生產,才可以降低成本。這就是為什麼主流芯片器件造價非常之高昂的原因。因此測試是一次非常耗費精力和資金的事情,可能一次測試就需要幾個億吧。

6、封裝

緊接著就是封裝,將製作好的的晶圓固定,然後將引腳綁定好,按照需求去製作成各種不同形式的的封裝。封裝的方式主要取決於用戶的要求和應用環境以及製造成本等。

7、測試包裝

  經過上述工藝流程以後,芯片製作就已經全部完成了,這一步驟是將芯片進行測試、剔除不良品,以及包裝。

以上就是芯片的整個製造過程,從製作過程我們就可以知道,芯片裡面的二極管不是安裝上去的而是經過光刻和蝕刻和摻雜直接在上面製作出二極管,你就理解成3D打印機打印的這麼個過程。其實芯片的製作是一個極其複雜的過程,這裡只是大概的講解了下過程。希望我的回答能夠給大家解惑。


程序小崔


膠片照相機的原理。


用戶67936185167


具我所知是光刻或蝕刻上去的,並非安裝上去的,直接在硅片上刻,比如2極管,刻個2個長方形硅,中間在添加點硼或其它材料變成一個pN結,然後許許多的這樣的二極三極管連起來組成邏輯運算單元,如非門、與門,與非門等,然後很多很多邏輯單元在組合成有各種功能的單元。總之對工藝要求很高,各元器件都是納米極的。


2731828480軟件開發


好象是,靠,激光,掃描切割,留下來,的,就是,電子,元件了,對嗎??????????


分享到:


相關文章: