1.集成电路(integratedcircuit,缩写:IC)
2.二,三极管.
3.特殊电子元件.
再广义些讲还涉及所有的电子元件,象电阻,电容,电路版/PCB版,等许多相关产品.
一、世界集成电路产业结构的变化及其发展历程
自1958年美国德克萨斯仪器公司(TI)发明集成电路(IC)后,随着硅平面技术的发展,二十世纪六十年代先后发明了双极型和MOS型两种重要的集成电路,它标志着由电子管和晶体管制造电子整机的时代发生了量和质的飞跃,创造了一个前所未有的具有极强渗透力和旺盛生命力的新兴产业集成电路产业。
回顾集成电路的发展历程,我们可以看到,自发明集成电路至今40多年以来,"从电路集成到系统集成"这句话是对IC产品从小规模集成电路(SSI)到今天特大规模集成电路(ULSI)发展过程的最好总结,即整个集成电路产品的发展经历了从传统的板上系统(System-on-board)到片上系统(System-on-a-chip)的过程。在这历史过程中,世界IC产业为适应技术的发展和市场的需求,其产业结构经历了三次变革。
第一次变革:以加工制造为主导的IC产业发展的初级阶段。
70年代,集成电路的主流产品是微处理器、存储器以及标准通用逻辑电路。这一时期IC制造商(IDM)在IC市场中充当主要角色,IC设计只作为附属部门而存在。这时的IC设计和半导体工艺密切相关。IC设计主要以人工为主,CAD系统仅作为数据处理和图形编程之用。IC产业仅处在以生产为导向的初级阶段。
第二次变革:Foundry公司与IC设计公司的崛起。
80年代,集成电路的主流产品为微处理器(MPU)、微控制器(MCU)及专用IC(ASIC)。这时,无生产线的IC设计公司(Fabless)与标准工艺加工线(Foundry)相结合的方式开始成为集成电路产业发展的新模式。
随着微处理器和PC机的广泛应用和普及(特别是在通信、工业控制、消费电子等领域),IC产业已开始进入以客户为导向的阶段。一方面标准化功能的IC已难以满足整机客户对系统成本、可靠性等要求,同时整机客户则要求不断增加IC的集成度,提高保密性,减小芯片面积使系统的体积缩小,降低成本,提高产品的性能价格比,从而增强产品的竞争力,得到更多的市场份额和更丰厚的利润;另一方面,由于IC微细加工技术的进步,软件的硬件化已成为可能,为了改善系统的速度和简化程序,故各种硬件结构的ASIC如门阵列、可编程逻辑器件(包括FPGA)、标准单元、全定制电路等应运而生,其比例在整个IC销售额中1982年已占12%;其三是随着EDA工具(电子设计自动化工具)的发展,PCB设计方法引入IC设计之中,如库的概念、工艺模拟参数及其仿真概念等,设计开始进入抽象化阶段,使设计过程可以独立于生产工艺而存在。有远见的整机厂商和创业者包括风险投资基金(VC)看到ASIC的市场和发展前景,纷纷开始成立专业设计公司和IC设计部门,一种无生产线的集成电路设计公司(Fabless)或设计部门纷纷建立起来并得到迅速的发展。同时也带动了标准工艺加工线(Foundry)的崛起。全球第一个Foundry工厂是1987年成立的台湾积体电路公司,它的创始人张忠谋也被誉为"晶芯片加工之父"。
第三次变革:"四业分离"的IC产业
90年代,随着INTERNET的兴起,IC产业跨入以竞争为导向的高级阶段,国际竞争由原来的资源竞争、价格竞争转向人才知识竞争、密集资本竞争。以DRAM为中心来扩大设备投资的竞争方式已成为过去。如1990年,美国以Intel为代表,为抗争日本跃居世界半导体榜首之威胁,主动放弃DRAM市场,大搞CPU,对半导体工业作了重大结构调整,又重新夺回了世界半导体霸主地位。这使人们认识到,越来越庞大的集成电路产业体系并不有利于整个IC产业发展,"分"才能精,"整合"才成优势。于是,IC产业结构向高度专业化转化成为一种趋势,开始形成了设计业、制造业、封装业、测试业独立成行的局面(如下图所示),近年来,全球IC产业的发展越来越显示出这种结构的优势。如台湾IC业正是由于以中小企业为主,比较好地形成了高度分工的产业结构,故自1996年,受亚洲经济危机的波及,全球半导体产业出现生产过剩、效益下滑,而IC设计业却获得持续的增长。
特别是96、97、98年持续三年的DRAM的跌价、MPU的下滑,世界半导体工业的增长速度已远达不到从前17%的增长值,若再依靠高投入提升技术,追求大尺寸硅片、追求微细加工,从大生产中来降低成本,推动其增长,将难以为继。而IC设计企业更接近市场和了解市场,通过创新开发出高附加值的产品,直接推动着电子系统的更新换代;同时,在创新中获取利润,在快速、协调发展的基础上积累资本,带动半导体设备的更新和新的投入;IC设计业作为集成电路产业的"龙头",为整个集成电路产业的增长注入了新的动力和活力。
二、IC的分类
IC按功能可分为:数字IC、模拟IC、微波IC及其他IC,其中,数字IC是近年来应用最广、发展最快的IC品种。数字IC就是传递、加工、处理数字信号的IC,可分为通用数字IC和专用数字IC。
通用IC:是指那些用户多、使用领域广泛、标准型的电路,如存储器(DRAM)、微处理器(MPU)及微控制器(MCU)等,反映了数字IC的现状和水平。
专用IC(ASIC):是指为特定的用户、某种专门或特别的用途而设计的电路。
目前,集成电路产品有以下几种设计、生产、销售模式。
1.IC制造商(IDM)自行设计,由自己的生产线加工、封装,测试后的成品芯片自行销售。
2.IC设计公司(Fabless)与标准工艺加工线(Foundry)相结合的方式。设计公司将所设计芯片最终的物理版图交给Foundry加工制造,同样,封装测试也委托专业厂家完成,最后的成品芯片作为IC设计公司的产品而自行销售。打个比方,Fabless相当于作者和出版商,而Foundry相当于印刷厂,起到产业"龙头"作用的应该是前者。
中央处理器(CPU,central processing unit)作为计算机系统的运算和控制核心,是信息处理、程序运行的最终执行单元,是运算和处理数据的核心,又称为“微处理器”。现如今,对于 PC ,甚至手机而言,CPU的规格与频率甚至直接被用来衡量电脑及手机性能强弱重要指标。
CPU里面最重要的东西就是晶体管了,提高CPU的速度,最重要的就是提高单位面积里晶体管的数量,由于CPU实在太精密,里面组成了数目相当多的晶体管,早在多年前就只能通过光刻工艺来进行加工了。
晶体管可以在逻辑上直接理解为一个开关:如果您回忆起基本计算的时代,那就是一台计算机需要进行工作的全部。两种选择,开和关,对于机器来说即0和1,而这些开关能构建门电路,进而组合成复杂的大规模运算器,就成了CPU。
制造CPU的基本原料
沙子:硅是地壳内第二丰富的元素,而脱氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25%的硅元素,以二氧化硅(SiO2)的形式存在,这也是半导体制造产业的基础。
硅熔炼:12英寸/300毫米晶圆级,下同。通过多步净化得到可用于半导体制造质量的硅,学名电子级硅(EGS),平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。此图展示了是如何通过硅净化熔炼得到大晶体的,最后得到的就是硅锭(Ingot)。
制备单晶硅锭
单晶的意思是指原子在三维空间中呈现规则有序的排列结构,而单晶硅拥有“金刚石结构”,每个晶胞含有8个原子,其晶体结构十分稳定。
单晶硅的“金刚石”结构
通常单晶硅锭都是采用直拉法制备,在仍是液体状态的硅中加入一个籽晶,提供晶体生长的中心,通过适当的温度控制,就开始慢慢将晶体向上提升并且逐渐增大拉速,上升同时以一定速度绕提升轴旋转,以便将硅锭控制在所需直径内。这一步是通过熔化硅原料,然后将液态硅注入大型高温石英容器而完成的。结束时,只要提升单晶硅炉温度,硅锭就会自动形成一个锥形尾部,制备就完成了,一次性产出的IC芯片更多。
制备好的单晶硅锭直径约在300mm左右,重约100kg。而目前全球范围内都在生产直径12寸的硅圆片,硅圆片尺寸越大,效益越高。
将制备好的单晶硅锭一头一尾切削掉,并且对其直径修整至目标直径,同时使用金刚石锯把硅锭切割成一片片厚薄均匀的晶圆(1mm)。有时候为了定出硅圆片的晶体学取向,并适应IC制作过程中的装卸需要,会在硅锭边缘切割出“取向平面”或“缺口”标记。
研磨硅圆片
切割后的晶圆其表面依然是不光滑的,需要经过仔细的研磨,减少切割时造成的表面凹凸不平,期间会用到特殊的化学液体清洗晶圆表面,最后进行抛光研磨处理,还可以在进行热处理,在硅圆片表面成为“无缺陷层”。一块块亮晶晶的硅圆片就这样被制作出来,装入特制固定盒中密封包装
在掺入化学物质的工作完成之后,标准的切片就完成了。然后将每一个切片放入高温炉中加热,通过控制加温时间而使得切片表面生成一层二氧化硅膜。通过密切监测温度,空气成分和加温时间,该二氧化硅层的厚度是可以控制的。在intel的90纳米制造工艺中,门氧化物的宽度小到了惊人的5个原子厚度。这一层门电路也是晶体管门电路的一部分,晶体管门电路的作用是控制其间电子的流动,通过对门电压的控制,电子的流动被严格控制,而不论输入输出端口电压的大小。
准备工作的最后一道工序是在二氧化硅层上覆盖一个感光层。这一层物质用于同一层中的其它控制应用。这层物质在干燥时具有很好的感光效果,而且在光刻蚀过程结束之后,能够通过化学方法将其溶解并除去。
前工程——制作带有电路的芯片
涂抹光刻胶
买回来的硅圆片经过检查无破损后即可投入生产线上,前期可能还有各种成膜工艺,然后就进入到涂抹光刻胶环节。微影光刻工艺是一种图形影印技术,也是集成电路制造工艺中一项关键工艺。首先将光刻胶(感光性树脂)滴在硅晶圆片上,通过高速旋转均匀涂抹成光刻胶薄膜,并施加以适当的温度固化光刻胶薄膜。
光刻胶是一种对光线、温度、湿度十分敏感的材料,可以在光照后发生化学性质的改变,这是整个工艺的基础。
光刻蚀
这是目前的CPU制造过程当中工艺非常复杂的一个步骤,光刻蚀过程是使用一定波长的光在感光层中刻出相应的刻痕, 由此改变该处材料的化学特性。这项技术对于所用光的波长要求极为严格,需要使用短波长的紫外线和大曲率的透镜。刻蚀过程还会受到晶圆上的污点的影响。每一步刻蚀都是一个复杂而精细的过程。
当这些刻蚀工作全部完成之后,晶圆被翻转过来。短波长光线透过石英模板上镂空的刻痕照射到晶圆的感光层上,然后撤掉光线和模板。通过化学方法除去暴露在外边的感光层物质,而二氧化硅马上在陋空位置的下方生成。
光刻胶(Photo Resist):图中蓝色部分就是在晶圆旋转过程中浇上去的光刻胶液体,类似制作传统胶片的那种。晶圆旋转可以让光刻胶铺的非常薄、非常平。
就单项技术工艺来说,光刻工艺环节是最为复杂的,成本最为高昂的。因为光刻模板、透镜、光源共同决定了“印”在光刻胶上晶体管的尺寸大小。
将涂好光刻胶的晶圆放入步进重复曝光机的曝光装置中进行掩模图形的“复制”。掩模中有预先设计好的电路图案,紫外线透过掩模经过特制透镜折射后,在光刻胶层上形成掩模中的电路图案。一般来说在晶圆上得到的电路图案是掩模上的图案1/10、1/5、1/4,因此步进重复曝光机也称为“缩小投影曝光装置”。
一般来说,决定步进重复曝光机性能有两大要素:一个是光的波长,另一个是透镜的数值孔径。如果想要缩小晶圆上的晶体管尺寸,就需要寻找能合理使用的波长更短的光(EUV,极紫外线)和数值孔径更大的透镜(受透镜材质影响,有极限值)。
由此进入50-200纳米尺寸的晶体管级别。一块晶圆上可以切割出数百个处理器,不过从这里开始把视野缩小到其中一个上,展示如何制作晶体管等部 件。晶体管相当于开关,控制着电流的方向。现在的晶体管已经如此之小,一个针头上就能放下大约3000万个。
溶解光刻胶
对曝光后的晶圆进行显影处理。以正光刻胶为例,喷射强碱性显影液后,经紫外光照射的光刻胶会发生化学反应,在碱溶液作用下发生化学反应,溶解于显影液中,而未被照射到的光刻胶图形则会完整保留。显影完毕后,要对晶圆表面的进行冲洗,送入烘箱进行热处理,蒸发水分以及固化光刻胶。
蚀刻
将晶圆浸入内含蚀刻药剂的特制刻蚀槽内,可以溶解掉暴露出来的晶圆部分,而剩下的光刻胶保护着不需要蚀刻的部分。期间施加超声振动,加速去除晶圆表面附着的杂质,防止刻蚀产物在晶圆表面停留造成刻蚀不均匀。
清除光刻胶
通过氧等离子体对光刻胶进行灰化处理,去除所有光刻胶。此时就可以完成第一层设计好的电路图案。
光刻胶
再次浇上光刻胶(蓝色部分),然后光刻,并洗掉曝光的部分,剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材料。由于现在的晶体管已经3D FinFET设计,不可能一次性就能制作出所需的图形,需要重复之前的步骤进行处理,中间还会有各种成膜工艺(绝缘膜、金属膜)参与到其中,以获得最终的3D晶体管。
离子注入(Ion Implantation)
在真空系统中,用经过加速的、要掺杂的原子的离子照射(注入)固体材料,从而在被注入的区域形成特殊的注入层,并改变这些区 域的硅的导电性。经过电场加速后,注入的离子流的速度可以超过30万千米每小时。
在特定的区域,有意识地导入特定杂质的过程称为“杂质扩散”。通过杂质扩散可以控制导电类型(P结、N结)之外,还可以用来控制杂质浓度以及分布。
现在一般采用离子注入法进行杂质扩散,在离子注入机中,将需要掺杂的导电性杂质导入电弧室,通过放电使其离子化,经过电场加速后,将数十到数千keV能量的离子束由晶圆表面注入。离子注入完毕后的晶圆还需要经过热处理,一方面利用热扩散原理进一步将杂质“压入”硅中,另一方面恢复晶格完整性,活化杂质电气特性。
离子注入法具有加工温度低,可均匀、大面积注入杂质,易于控制等优点,因此成为超大规模集成电路中不可缺少的工艺。
清除光刻胶
完成离子注入后,可以清除掉选择性掺杂残留下来的光刻胶掩模。此时,单晶硅内部一小部分硅原子已经被替换成“杂质”元素,从而产生可自由电子或空穴。
而注入区域(绿色部分)也已掺杂,注入了不同的原子。注意这时候的绿色和之前已经有所不同。
绝缘层处理
此时晶体管雏形已经基本完成,利用气相沉积法,在硅晶圆表面全面地沉积一层氧化硅膜,形成绝缘层。同样利用光刻掩模技术在层间绝缘膜上开孔,以便引出导体电极。
在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞,并填充铜,以便和其它晶体管互连。
在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞,并填充铜,以便和其它晶体管互连。
沉淀铜层
利用溅射沉积法,在晶圆整个表面上沉积布线用的铜层,继续使用光刻掩模技术对铜层进行雕刻,形成场效应管的源极、漏极、栅极。最后在整个晶圆表面沉积一层绝缘层以保护晶体管。
电镀:在晶圆上电镀一层硫酸铜,将铜离子沉淀到晶体管上。铜离子会从正极(阳极)走向负极(阴极)。
铜层:电镀完成后,铜离子沉积在晶圆表面,形成一个薄薄的铜层。
抛光
将多余的铜抛光掉,也就是磨光晶圆表面。
构建晶体管之间连接电路
经过漫长的工艺,数以十亿计的晶体管已经制作完成。剩下的就是如何将这些晶体管连接起来的问题了。同样是先形成一层铜层,然后光刻掩模、蚀刻开孔等精细 *** 作,再沉积下一层铜层......,这样的工序反复进行多次,这要视乎芯片的晶体管规模、复制程度而定。最终形成极其复杂的多层连接电路网络。
金属层:晶体管级别,六个晶体管的组合,大约500纳米。在不同晶体管之间形成复合互连金属层,具体布局取决于相应处理器所需要的不同功能性。芯片表面看 起来异常平滑,但事实上可能包含20多层复杂的电路,放大之后可以看到极其复杂的电路网络,形如未来派的多层高速公路系统。
后工程——从划片到成品销售
晶圆级测试
前工程与后工程之间,夹着一个Good-Chip/Wafer检测工程,简称G/W检测。目的在于检测每一块晶圆上制造的一个个芯片是否合格。通常会使用探针与IC的电极焊盘接触进行检测,传输预先编订的输入信号,检测IC输出端的信号是否正常,以此确认芯片是否合格。
由于目前IC制造广泛采用冗余度设计,即便是“不合格”芯片,也可以采用冗余单元置换成合格品,只需要使用激光切断预先设计好的熔断器即可。当然,芯片有着无法挽回的严重问题,将会被标记上丢弃标签。
内核级别,大约10毫米/0.5英寸。图中是晶圆的局部,正在接受第一次功能性测试,使用参考电路图案和每一块芯片进行对比。
晶圆切片(Slicing)
IC内核在晶圆上制作完成并通过检测后后,就进入了划片阶段。划片使用的划刀是粘附有金刚石颗粒的极薄的圆片刀,其厚度仅为人类头发的1/3。将晶圆上的每一个IC芯片切划下来,形成一个内核Die。
裂片完成后还会对芯片进行外观检查,一旦有破损和伤痕就会抛弃,前期G/W检查时发现的瑕疵品也将一并去除。
晶圆级别,300毫米/12英寸。将晶圆切割成块,每一块就是一个处理器的内核(Die)。
丢弃瑕疵内核:晶圆级别。测试过程中发现的有瑕疵的内核被抛弃,留下完好的准备进入下一步。
单个内核:内核级别。从晶圆上切割下来的单个内核,这里展示的是Core i7的核心。
封装:封装级别,20毫米/1英寸。衬底(基片)、内核、散热片堆叠在一起,就形成了我们看到的处理器的样子。衬底(绿色)相当于一个底座,并为处理器内核提供电气与机械界面,便于与PC系统的其它部分交互。散热片(银色)就是负责内核散热的了。
芯片进行检测完成后只能算是一个半成品,因为不能被消费者直接使用。还需要经过装片作业,将内核装配固定到基片电路上。装片作业全程由于计算机控制的自动固晶机进行精细化 *** 作。
等级测试
CPU制造完成后,还会进行一次全面的测试。测试出每一颗芯片的稳定频率、功耗、发热,如果发现芯片内部有硬件性缺陷,将会做硬件屏蔽措施,因此划分出不同等级类型CPU,例如Core i7、i5、i3。这里说明一下,高中低档的cpu制作成本是一样的,只是最后测试时,性能高的就是高端,性能低的就是入门级。
装箱:根据等级测试结果将同样级别的处理器放在一起装运。
零售包装:制造、测试完毕的处理器要么批量交付给OEM厂商,要么放在包装盒里进入零售市场。
当CPU被放进包装盒之前,一般还要进行最后一次测试,以确保之前的工作准确无误。根据前面确定的最高运行频率不同,它们被放进不同的包装,销往世界各地。
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