小小晶元上的上千萬個電晶體是怎麼裝上去的

2021-10-19 10:12:58 字數 2188 閱讀 1236

蘋果的a14晶元在85平方公釐的面積內塞入了125億~150億顆電晶體,這就意味著每平方公釐的電晶體密度可望達到1.76億。如果等比例放大,可比北、上、廣、深任何一座城市的規模複雜得多得多。

不要試圖用傳統的辦法一顆一顆的焊接這些相當於頭髮絲直徑10萬分之一大小的電晶體,因為根本不可能,用鑷子夾一顆電晶體跟夾空氣沒有任何區別,更別說用烙鐵將電晶體準確的焊接在已奈米計算的位置上。

目前普通人手工能操作的最小尺度應該是在一粒寬約1公釐、長約3公釐的公尺上刻字。當然借助超高精度的工具機操作,精度可以達到0.01~0.001微公尺,這種極限精度對於操縱一顆電晶體還遠遠不夠。

沒錯就是用光來做刻刀,原理就像我們在沙灘上曬太陽,暴曬一段時間後,陽光能照射到的**呈現深色,而經過遮擋的**陽光無法照射呈現淺色,這樣一幅具象的圖案就顯現出來了。

首先需要一塊純度99.999999999999%(小數點後面12個9)的高純度晶圓做地基。這樣電晶體和銅導線才能夯實得各歸其位。

光源是直接決定單位面積內能容納多少電晶體的決定性因素之一。晶元想要做得越小、在單位面積內容納更多的電晶體,使用更短波長的光源是最直接的手段。asml的極紫外光刻機(euv)是以10~14奈米的極紫外光作為光源。

設計好的晶元圖紙會被製作成一層一層的光罩,一般一塊晶元是由幾十層電路組成,而每一層電路都需要乙個光罩。

萬事俱備只欠東風,晶圓加熱表面形成氧化膜後,讓光透過光罩射到塗了光刻膠的晶圓上。被光罩上的電路圖擋住光的部分留下,而被光照到的光刻膠遇光就會起反應,容易會被化學腐蝕反應分解出去,或者用等離子體轟擊晶圓表面的方式去除沒有被光覆蓋的位置,一層電路就這樣刻在晶圓上了。

不需要的光刻膠除去之後,在露出的晶元內注入使電晶體能高效工作的雜質物質,從而製作出半導體元器件。注入後的半導體放在一定溫度下進行加熱就可以恢復晶體的結構,消除缺陷從而啟用半導體材料的電學效能。重複以上的步驟就可以形成多層電子迴路。

多層電子迴路之間是通過氣相沉積、電鍍的方式形成絕緣層和金屬連線,而電鍍用於生長銅連線金屬層。

已經製作好的晶圓在經過化學腐蝕、機械研磨相結合的方式對晶圓表面進行磨拋,實現表面平坦化。然後再進行切片、封裝、檢測就做成了一塊完整的晶元。

從沙子轉變成可以製作晶元99.999999999999%的高純度晶圓,難度可想而知,就連如今使用的極紫外光光源都是費了九牛二虎之力才有所突破,而光刻膠就有幾千種。這些都還不是極限難度,極限難度在於如何將電路一層一層的刻畫到晶圓上,同時又保持電晶體和電路的涇渭分明,在奈米尺度上保持多層光刻電路對齊。

在整個世界範圍內能組裝光刻機的鳳毛麟角,amsl更是壟斷了高階光刻機市場,至今無人能望其項背。其中能造7nm以下工藝的極紫外光刻機euv重達180噸,擁有超過10萬個零部件,90%的關鍵裝置來自外國而非荷蘭本國,asml作為整機公司,實質上只負責光刻機設計與整合各模組,需要全而精的上游產業鏈作堅實支撐。通俗一些講:就算給你euv完整的圖紙和配件,也很難除錯出光刻晶元的精度。

晶元製造這件事,需要一整個完善的產業鏈來支撐。對於我們國家來說任重而道遠,對於國外的封鎖,只能一步乙個腳印,沒有它法。

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