现今世界上超大规模集成电路厂(台湾称之为晶圆厂)主要集中分布于美国、日本、西欧、新加坡及台湾等少数发达国家和地区,其中台湾地区占有举足轻重的地位。

首先来讲什么是晶圆

晶圆厂所生产的产品实际上包括两大部分:晶圆切片(也简称为晶圆)和超大规模集成电路芯片(可简称为芯片)。前者只是一片像镜子一样的光滑圆形薄片,从严格的意义上来讲,并没有什么直接实际应用价值,只不过是供其后芯片生产工序深加工的原材料。而后者才是直接应用在计算机、电子、通讯等许多行业上的最终产品,它可以包括CPU、内存单元和其它各种专业应用芯片。

晶圆是制造各式电脑芯片的基础。可以将芯片制造比拟成用乐高积木盖房子,藉由一层又一层的堆叠,完成自己期望的造型(也就是各式芯片)。然而,如果没有良好的地基,盖出来的房子就会歪来歪去,不合自己所意,为了做出完美的房子,便需要一个平稳的基板。对芯片制造来说,这个基板就是接下来将描述的晶圆。

在 IC 生产流程中,IC 多由专业 IC 设计公司进行规划、设计,像是联发科、高通、Intel 等知名大厂,都自行设计各自的 IC 芯片,提供不同规格、效能的芯片给下游厂商选择。因为 IC 是由各厂自行设计,所以 IC 设计十分仰赖工程师的技术,工程师的素质影响着一间企业的价值。然而,工程师们在设计一颗 IC 芯片时,究竟有那些步骤?设计流程可以简单分成如下。

下面是芯片制作主要步骤:

1、芯片制作完整过程包括芯片设计、晶片制作、封装制作、成本测试等几个环节,其中晶片片制作过程尤为的复杂。

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首先是芯片设计,根据设计的需求,生成的“图样” , 芯片的原料晶圆的成分是硅,硅是由石英沙所精练出来的,晶圆便是硅元素加以纯化(99.999%),接着是将些纯硅制成硅晶棒,成为制造集成电路的石英半导体的材料,将其切片就是芯片制作具体需要的晶圆。晶圆越薄,成产的成本越低,但对工艺就要求的越高。

2、晶圆涂膜晶圆涂膜能抵抗氧化以及耐温能力,其材料为光阻的一种。

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3、晶圆光刻显影、蚀刻该过程使用了对紫外光敏感的化学物质,即遇紫外光则变软。通过控制遮光物的位置可以得到芯片的外形。在硅晶片涂上光致抗蚀剂,使得其遇紫外光就会溶解。这是可以用上第一份遮光物,使得紫外光直射的部分被溶解,这溶解部分接着可用溶剂将其冲走。这样剩下的部分就与遮光物的形状一样了,而这效果正是我们所要的。这样就得到我们所需要的二氧化硅层。

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4、搀加杂质将晶圆中植入离子,生成相应的P、N类半导体。具体工艺是是从硅片上暴露的区域开始,放入化学离子混合液中。这一工艺将改变搀杂区的导电方式,使每个晶体管可以通、断、或携带数据。简单的芯片可以只用一层,但复杂的芯片通常有很多层,这时候将这一流程不断的重复,不同层可通过开启窗口联接起来。这一点类似所层PCB板的制作制作原理。 更为复杂的芯片可能需要多个二氧化硅层,这时候通过重复光刻以及上面流程来实现,形成一个立体的结构。

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5、晶圆测试经过上面的几道工艺之后,晶圆上就形成了一个个格状的晶粒。通过针测的方式对每个晶粒进行电气特性检测。 一般每个芯片的拥有的晶粒数量是庞大的,组织一次针测试模式是非常复杂的过程,这要求了在生产的时候尽量是同等芯片规格构造的型号的大批量的生产。数量越大相对成本就会越低,这也是为什么主流芯片器件造价低的一个因素。

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6、封装将制造完成晶圆固定,绑定引脚,按照需求去制作成各种不同的封装形式,这就是同种芯片内核可以有不同的封装形式的原因。比如:DIP、QFP、PLCC、QFN 等等。这里主要是由用户的应用习惯、应用环境、市场形式等外围因素来决定的。

7、测试、包装经过上述工艺流程以后,芯片制作就已经全部完成了,这一步骤是将芯片进行测试、剔除不良品,以及包装。

芯片制造--10nm工艺逐渐兴起

继16/14nm工艺之后,业界正纷纷转向10nm工艺,桌面上有Intel,移动平台就热闹多了,苹果的下下代A11、联发科的新十核Helio X30、华为下一代都已经确定会上10nm。

高通:10nm处理器已经送样 三星代工

高通CEO Steve Mollenkopf在接受分析师提问时透露,高通的10nm工艺芯片已经定案,同时开始送样给客户,高通2017年的10nm订单都会交给三星,不过高通也会继续坚持多个来源的策略。

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ARM:完成全球第一个10nm工艺芯片 台积电代工

早在5月份,ARM已经宣布,已经与台积电合作完成了全球第一个基于10nm工艺的芯片的流片工作,使用了尚未宣布的顶级新架构“Artemis”。这颗测试芯片将是ARM、台积电共同的测试平台,用来调试相关工具和制造工艺,从而在性能、功耗、面积方面获得最优成果。

芯片内集成了四个Artemis CPU核心,频率有1.82/2.34/2.49/2.7GHz等不同档次,同时还有当代Mali GPU,但只有一个核心,因为只是用来展示效果而已。当然了,芯片内还有其他各种IP模块、IO接口,用来检验新工艺。

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英特尔:试产10nm工艺Cannonlake处理器 提升50%

据可靠消息,Intel已经开始了10nm的试产工作,而且将改造一批10nm工艺的制造厂,这笔支出已经在日前发布二季度财报和三季度展望时纳入。巨头表示,14nm的先进内部工艺、技术积累将延续到10nm家族。资料显示,对比三星和台积电,Intel 14nm FinFET演进到了第三代,在栅极间距、内部互联最小间距、SRAM(静态随机存储单元)、晶体管高度上都有着精细的优势。

10nm处理器的家族代号是Cannonlake,根据传言,Intel希望能为其带来相较14nm 50%的提升。采用10nm工艺制程的Cannonlake架构处理器将于2016年第三季度发布。10nm之后,Intel、三星、台积电、GlobalFoundries等等都在推进7nm和5nm工艺。