华为中兴等一系列中国企业被芯片制裁,到中国勒紧裤腰带造芯片,再到2022全世界都开始疯狂造芯片。这块近乎拇指大小的硅片,让全世界都为之疯狂。那么为什么芯片这么难制作呢?其原理和制作工艺到底是什么样的,来一探究竟!无论是智能穿戴设备(智能手表手环),数字微波炉或者冰箱,更普遍的手机和电脑,物联网设备等等都能见到芯片的身影。

芯片本质是什么:芯片又叫集成电路IC(一般是指大规模集成电路),一般的,其主要是由晶体管半导体器件,二极管三极管或各类细分的门级元件)构成的大规模电路系统,现在主流手机电脑芯片内的晶体管都达到了百亿级别,有的甚至上升至千亿级,那么是如何在指甲盖那么大小的面积上放置这么大规模的晶体管电路呢?

芯片的初级产物:晶圆片

芯片主要是在晶圆片上刻录或者放置,最后切割等一系列操作的,我们可以类似看成一块光盘,在光盘每一单位面积上放置或者雕刻某些东西,最后以单位面积为单位,将其切割而成的。

那么圆晶片又是啥?

是多晶硅溶解后掺入硅晶体,然后各类技术使其析出,形成圆柱形的单晶硅。然后硅晶再经过各种研磨,抛光,切片后,就形成了硅晶圆的片状产物,也就是晶圆。

(晶圆制作到芯片出产的一般流程)

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其实从晶圆生产的过程我们就能看出芯片制作的难度巨大,,光晶圆生产的工序与技术就涵盖了材料学,光学,晶体学,还有工艺流程学,自动化等一系列学科,可见其难度之大。其实晶圆制作在芯片整个流程工艺上不是最难的!芯片架构设计:既然把芯片比做建城市,那么晶圆片只是将地皮推平而已,怎样规划和创造城市,才是最难的!

芯片的灵魂–––芯片架构芯片不是都一样的,不同的架构(设计图纸)就有不同的芯片种类,就好比城市的选型,是内陆城市还是沿海城市,这些城市又分为,是交通枢纽城市,还是港口城市等等,不同的芯片架构就又不同的芯片设计要求和制作工艺。目前主流的芯片架构就是ARM架构和英特尔的X架构,ARM主要应用于嵌入式系统(包括手机,嵌入式电脑,物联网设备等等,华为麒麟处理器,苹果A和M系列芯片都属于arm架构),英特尔芯片主要是桌面级处理器,主要为了各类电脑而产生,也有部分嵌入式芯片和其他类型芯片。综上所述,芯片架构是非常重要的,设计芯片架构涉及到的知识也是非常多的:数学(特别是矩阵论数学分析,应用数学模型––运筹学等),物理就更不用说了(电路分析学––模拟电路数字电路,自动化学,非线性系统的发热建模等等),计算机科学(研究其时钟频率,脉冲信号,指令集等各类问题)等等。那么如何将芯片架构放置在晶圆片上呢?这就是芯片制作的核心问题所在,如同如何把图纸上的城市建设出来!

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光刻机—芯片的母胎

光刻机的原理是什么?光刻机的初步处理圆晶原理比较像一般的电路板制作,利用设计好的模版去除晶圆表面的一层保护膜。然后将晶圆浸泡在设计好的腐蚀液里面,失去保护膜的部分被腐蚀掉后就形成了我们需要的电路了。然后用纯水洗净残留在晶圆表面的杂质。其中曝光机就是利用紫外线通过模版去除晶圆表面的保护膜的设备。那么最后 我们就可以将光刻机看成是如何将设计图纸映射在单位面积的圆晶片上的。可见其制作工艺是何种的复杂和精细。

光刻机

目前商业芯片制作公司有哪些呢?

最著名的是中国台湾的台积电:一家积体电路和圆晶生产厂商,像苹果,华为,高通等一系列科技公司大部分都在台积电进行实际生产制作。

韩国三星公司:三星自家也有自己的代工厂,自家芯片包括其他公司芯片都可以在三星进行生产,不过业界有人认为三星和台积电在生产工艺上还是存在一些差距的,所以台积电占比更大一些。

三星半导体和台积电

不过不论国际科技风云如何巨变,中国人总能找到方法去应对。相信国家在不久的将来就能在强大的基础科学和科研实力下在尖端芯片上占有重要一席。

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