芯片原來(lái)是這樣制造出來(lái)的,你造嗎?
據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道,如果你希望寫一封電子郵件,給網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)建索引,以每秒60幀的頻率呈現(xiàn)爆炸畫面,你必須首先制造一臺(tái)電腦。而要制造電腦,你首先得設(shè)計(jì)和制造微型處理器,快速處理完成上述每個(gè)數(shù)字動(dòng)作的數(shù)百萬(wàn)個(gè)不同的計(jì)算步驟,進(jìn)而采取運(yùn)算速度達(dá)每秒30億次左右的新步驟。
要做到這一點(diǎn),你可能需要美國(guó)應(yīng)用材料公司(AppliedMaterial)生產(chǎn)的芯片制造工具。美國(guó)應(yīng)用材料公司是世界上向半導(dǎo)體行業(yè)出售這種設(shè)備的主要廠商之一。應(yīng)用材料公司的機(jī)器設(shè)備會(huì)令硅芯片(如英特爾硅芯片)遭受超強(qiáng)真空處理、「化學(xué)浴」浸泡、高能等離子體加工、紫外光照射等一系列步驟,同時(shí)還要使硅芯片經(jīng)過數(shù)百個(gè)制造階段,從而將它們變成CPU、存儲(chǔ)器片、圖形處理器等。
由于上述步驟不利于人體健康,所以,部分操作步驟必須在密封的真空室內(nèi)進(jìn)行,需要機(jī)械臂將硅芯片從一個(gè)處理站移到另一個(gè)處理站。而機(jī)器本身放置在無(wú)塵室內(nèi)。無(wú)塵室的純凈氣體和身穿防護(hù)服的技術(shù)人員可以降低空氣受污染的幾率:頭發(fā)上掉下的一個(gè)塵粒便能毀壞售價(jià)500美元的CPU,所以,公司渴望將發(fā)生這種事件的幾率降至最低。
《連線》雜志記者日前造訪了美國(guó)應(yīng)用材料公司的梅坦技術(shù)中心(Maydan Technology
Center)。梅坦技術(shù)中心是位于加州圣克拉拉市的技術(shù)一流的無(wú)塵室,應(yīng)用材料公司在那里開發(fā)和測(cè)試設(shè)備。整個(gè)技術(shù)中心的超凈工作區(qū)占地面積3.9萬(wàn)平方英尺,相當(dāng)于81個(gè)橄欖球場(chǎng),分成三個(gè)大型「舞廳」,每個(gè)都堆滿了應(yīng)用材料公司價(jià)值數(shù)百萬(wàn)美元的設(shè)備以及軟管、零部件、腐蝕性化學(xué)物箱子、工具箱和一堆堆的硅芯片。
1.應(yīng)用材料公司無(wú)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(gè)用收縮膜包裝的、在無(wú)塵室經(jīng)過特殊消毒處理的筆記本和鋼筆使用。
這里不是生產(chǎn)車間,相反,這個(gè)無(wú)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(cè)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(duì)尖端半導(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(huì)被削弱,使硅芯片表面留下圖案。接著,硅芯片會(huì)被送入一個(gè)「化學(xué)浴室」,在暴露在外的硅襯底上蝕刻溝槽,同時(shí)光刻膠覆蓋的區(qū)域不會(huì)受到任何影響。在去除了光刻膠以后,其他設(shè)備會(huì)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)一流的機(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(gè)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(tái)是一個(gè)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(tái)。
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(cè)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(jì),這會(huì)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(shí),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(gè)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(gè)大氣。
6.「此處無(wú)金屬」
Centura機(jī)器右側(cè)的銀色金屬設(shè)備是一個(gè)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(wú)金屬工具」標(biāo)識(shí)意味著,這臺(tái)機(jī)器被用在增加銅線路以前的一個(gè)過程。銅是一種污染物,會(huì)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(jiǎn)化傳送過程,將污染的風(fēng)險(xiǎn)降至最低程度,晶圓廠會(huì)充分利用前置式晶圓傳送盒(簡(jiǎn)稱FOUP)。每個(gè)前置式晶圓傳送盒可以在無(wú)菌的清潔環(huán)境下放置25個(gè)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(gè)個(gè)地自動(dòng)快速加工。
8.高度自動(dòng)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(dòng)化就成了無(wú)塵室設(shè)計(jì)的重要部分。應(yīng)用材料公司的無(wú)塵室有一條自動(dòng)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),最多可以放置700個(gè)前置式晶圓傳送盒(可裝1.75萬(wàn)個(gè)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(gè)無(wú)塵室的懸掛單軌(這張照片上沒顯示)。
另外2800個(gè)前置式晶圓傳送盒可以存放于主無(wú)塵室下面的一層?,F(xiàn)代無(wú)塵室中的每一臺(tái)機(jī)器都圍繞300毫米的硅芯片設(shè)計(jì)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(gè)行業(yè)必須更換每一個(gè)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(huì)是應(yīng)用材料公司、英特爾、AMD等企業(yè)之間長(zhǎng)期談判的最終結(jié)果。
9.零部件精確制造
雖然電腦芯片僅相當(dāng)于手指甲大小,但卻由數(shù)億個(gè)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(gè)可以包含200個(gè)獨(dú)立、但外形相同的處理器。由于偶爾會(huì)發(fā)生污染事件,雖然無(wú)塵室極為干凈,制造商仍必須測(cè)試那些處理器的每一個(gè)零部件,以確保5億個(gè)零部件(每個(gè)直徑僅30至45納米左右)在制造過程中不會(huì)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(gè)可容納數(shù)百臺(tái)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最賺錢的企業(yè)之一。
10.技術(shù)人員休息時(shí)間
身穿防護(hù)服的工程師和技術(shù)人員在無(wú)塵室內(nèi)工作,他們負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和監(jiān)督機(jī)器內(nèi)發(fā)生的過程。不過,一旦某個(gè)操作過程啟動(dòng),它很大程度上屬于自動(dòng)化,工程師和技術(shù)人員此時(shí)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(shí)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(wú)塵室一般只能呆上很短時(shí)間,所以說這個(gè)過程足夠的繁瑣。所以,技術(shù)人員在機(jī)器運(yùn)行時(shí)通常不會(huì)走出無(wú)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(bào)告,查看郵件。當(dāng)他們做這些事情的時(shí)候,其實(shí)正用到在這樣的無(wú)塵室內(nèi)制造的芯片。
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