芯片上有成千上万个晶体管,是怎么安上去的?

小鸟140772509


我们的手机和电脑里都是安装了各种类型的芯片,芯片本身是由数以亿计的晶体管组成的,而芯片是在硅晶圆的基础上一步一步制造出来的,而且这个过程非常复杂,涉及到光刻、离子注入、蚀刻、曝光等一系列步骤,由于芯片对硅晶圆的纯度和光刻精度要求非常高,所以这都需要各类高端高精尖的设备才能进行,如果有杂质和误差问题,那么芯片也就无法正常工作。

所以说芯片当中数以亿计的晶体管都是在硅晶圆上用光刻机光刻或者蚀刻上去的,之后还要以类似的方法做上相应的电路和连线,从而才能保证晶体管的正常通电工作。当然,为了保证晶体管布局的准确无误,在芯片制造之前就必须把图纸或者电子图设计好,这往往需要相当长的时间,也需要经过多次验证和试产阶段,只有准确无误的将复杂无比的电路给到一颗颗晶体管上面,并且能保证正常工作才可以开始投产制造。

虽说半导体芯片的制造工艺不断升级,但是晶体管本身的大小并没有明显变化,在大约10多年以前,晶体管大都是以2D平面式布局在芯片当中,但是自从2011年英特尔推出3D晶体管层叠结构以来,晶体管便能以层级堆叠的形式排列起来,这样就大大增加了晶体管密度,同时借助更先进的制造工艺,晶体管之间的间距也变得更小,这样在同样大小的芯片中才能获得更高的性能或更低的功耗,半导体芯片这么多年也都是按照这样的理念发展的。


嘟嘟聊数码


我一定要回答一下这个问题!

首先我们要知道,一块小小的芯片上面可不是“成千上万个晶体管”,而是十亿、数十亿个晶体管。比如说华为用在手机中的麒麟980芯片(只有指甲盖那么大),这上面就集成了将近70亿个晶体管。

而想要把这些晶体管装到芯片上面,靠人工可是不行的,靠自动化的机器也是不行的,因为这些晶体管不仅特别小,而且数量特别多,就算是自动化的机器也没办法很快安装好。

那么人们是怎么把这些小晶体管“装”到芯片上的呢?

我们在说具体的方法之前,我们先说一个事情:你想要在电脑上画一个非常复杂、但是有规律的图其实是非常容易的,尤其是像芯片电路这样重复性很高的图片,只要你画出来一个单元,然后尽管复制就行了(如下图所示,这种重复性的工作在电脑上的操作是非常容易的)。

所以我们就只要把电脑画出来的图片给“打印”成电路就行了。

有人会想了:我们只听说过激光打印、喷墨打印,难道说电路还可以打印出来吗?

没错,电路就是可以打印出来——事实上这就是芯片怎么生产出来的。

下面这幅图就是光刻机的原理。电路的形状一开始是画在一张比较大的分划板上的,然后通过透镜把电路的图案缩的很小,然后照射在涂抹了光刻胶的金属板上(就是所谓的晶圆了)。光线把光刻胶雕刻成你需要的电路的形状,然后就可以进行进一步的蚀刻。

下面这幅图这是蚀刻的过程。可以看到,没有光刻胶的那部分金属在化学物质的作用下被溶解了,然后晶圆表面就变成了我们想要的形状。整个大规模集成电路光刻和蚀刻的过程可以见再下一张图。

上面就是工程上把电路打印出来的过程,所以只要你可以把电路图画出来,那么就可以进一步地把电路打印出来——自然不需要你一根一根地往上安装了。

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航小北的日常科普


芯片里的晶体管用万的单位来统计是不够的,至少要用亿来统计,像一个7纳米的芯片边长差不多就1.5厘米,要在体积那么小的芯片里放入几十亿的晶体管,必须要用到特殊的技术和工艺。

芯片能够放入那么多的晶体管,内部结构是采用层级堆叠的技术

芯片虽然体积小,但内部结构是错综复杂的微电路。通过X射线观看芯片内部结构,可以看到有很多层级,上下交错层叠大概有10层,每一层都有晶体管,通过导线相互连接。在生产的过程中,先完成第一层再向上递进,就和盖楼差不多。



新型的鳍式场效晶体管体积更小,还具有3D结构、双向控制的特性

鳍式场效晶体管技术是一种新型的半导体晶体管,这种晶体管和鱼鳍很像,已经达到了9奈米,是头发丝的万分之一。如果是传统的晶体管,电流经过闸门时只能管控一边的电路,属于平面结构的类型,而鳍式场效晶体管实现了3D结构,电流可以实现双向控制。


最先进的EUV光刻设备是晶体管注入的必备条件

光刻机的紫外线要从原来的193nm提升到13.5nm,那就要使用最先进的EUV光刻设备进行光刻。 完成后就要用化学物质蚀刻掉多作余的硅体,通过感光产生二氧化硅这种物质,再加入多晶硅基本就可以形成门电路,建立各个晶体管之前的连接。通过这种操作方式,一次可以注入大约3000万个晶体管。



芯片的体积和功耗要求越来越高,对于半导体晶体管来说,要不断突破现有技术,做到更精细,才能满足芯片的要求,人类也在不断创造着晶体管的技术极限。


星河方舟


这套工艺叫“平面处理工艺”,1958年由刚成立不久的仙童半导体公司发明。当时仙童刚成立不久,急需通过新的晶体三极管生产技术在市场立足。公司的领导人鲍勃.诺伊斯(英特尔公司创始人)让戈登.摩尔(诺伊斯的合作伙伴,英特尔公司创始人,摩尔定律提出者)和员工金.赫尔尼分别组成两个技术攻关小组,展开竞赛,研究一种崭新的晶体三极管生产工艺。

竞赛的结果是,赫尔尼赢了,发明了被芯片产业应用至今的“平面处理工艺”。

赫尔尼是从当时的照相平版印刷技术得到灵感的,所以“平面处理工艺”从流程上看,和印刷一本书/杂志非常相似。

下面以晶体三极管为例,

简要说说它的流程:

  • 首先是画出晶体三极管的电路布局图,对它照相,将布局图缩小成一张小小的透光胶片;

  • 其次,将硅晶圆切成薄片,打磨抛光后涂上一层感光材料;

  • 第三,用强光(最初是可见光,后来用激光和紫外光)将胶片上的图案投射到涂了感光材料的硅片上;

  • 第四,用酸性物质把硅片上未曝光的区域蚀刻掉,然后根据设计要求加入半导体杂质(扩散掺杂),或者镀上金属导体或绝缘体;

在“平面处理工艺”发明之前,所有的晶体三极管都是用手工一个一个制作,半导体企业的车间像小作坊,产品难以大规模生产,而且质量不稳定(手工生产的短板),尺寸较大(人眼分辨率有限),无法小型化。

“平面处理”工艺出现之后,可以做到:

  • 能够无限量大规模制造(想想印刷书本),使得晶体管的成本可以降到极低,现在芯片上的单个晶体管成本比书籍上的一个字母的印刷成本还低;

  • 只要提高镜头的分辨率,并采用波长更短的光源,就可以制造出尺寸极小的晶体管,而晶体管尺寸越小,成本越低(用到的硅材料越少,产量越大),开关速度也会越快;

可以说,”平面处理工艺“出现之后,集成电路也就是芯片才成为可能。

现代芯片制造工艺极其复杂,但基本流程和”平面处理工艺“相同。


”平面处理工艺“一直沿用至今,现在的芯片制造技术是在它基础上的不断改良,比如增加镜头精度,选用波长更短的光源等。

仙童公司凭借”平面处理工艺“成功超越当时的半导体巨头德州仪器,成为今天硅谷的祖宗公司。今天硅谷的半导体芯片公司,其创始人绝大部分就来自仙童公司。


魔铁的世界


芯片上有成千上万个晶体管,这已经是一种常识,但是成千上万个晶体管不是安装上的。因此要回答这个问题我们得了解一下芯片的制作过程,只有知道了制作过程,这个问题就迎刃而解了。

芯片是如何制作的

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,其中晶片制作过程尤为的复杂。

1、芯片的原料

制作芯片的成分主要是硅,硅主要是从石英砂中提炼出来的,晶元是硅进行纯化之后的材料,下一步就是将这些纯硅制成硅晶棒,然后再将硅棒切成硅片,这个硅片就是芯片制作需要的晶圆。

2、晶圆涂膜

晶圆涂膜能抵抗氧化以及耐温能力

3、晶圆光刻显影、蚀刻

晶圆光刻显影主要是使用了对紫外光敏感的化学物质,遇到紫外线则变软。通过控制遮光物质的位置可以得到芯片的外形。然后在硅晶片涂上光抗蚀剂,使得遇到紫外光就会溶解。然后将溶解的部分用溶剂将其冲走。这样剩下的部分就是没有被溶解的地方。而这个也正是我们所需要的。二氧化硅就是这样形成的。

4、参加杂质,形成PN结

这一步最重要的是植入离子,生成相应的PN结,即PN半导体,我们知道CPU芯片其实就是由很多二极管构成的。具体是从硅片上暴露的区域开始,放入化学离子混合液中。这可以改变搀杂区的导电方式,这样就可以让每个晶体管可以通、断。简单的芯片可以只用一层,但是复杂的芯片通常需要很多层。然后重复以上流程,然后每一层通过导体连接起来,这一点就相当于我们的PCB层一样,每一层都有导体能够互相连接这样就是一个立体的晶体管结构。

5、晶圆测试

经过以上寄到工序之后我们的晶圆上就形成了一个个的格状的晶粒。然后通过针测的方式对每个晶粒进行电气特性检测。在这个阶段,晶圆的测试是一项很复杂的过程,需要测试每一个晶粒,因为每个芯片拥有这庞大的晶粒数量,因此在测试的时候最好是大批量同规格构造型号的大批量生产,才可以降低成本。这就是为什么主流芯片器件造价非常之高昂的原因。因此测试是一次非常耗费精力和资金的事情,可能一次测试就需要几个亿吧。

6、封装

紧接着就是封装,将制作好的的晶圆固定,然后将引脚绑定好,按照需求去制作成各种不同形式的的封装。封装的方式主要取决于用户的要求和应用环境以及制造成本等。

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。

以上就是芯片的整个制造过程,从制作过程我们就可以知道,芯片里面的二极管不是安装上去的而是经过光刻和蚀刻和掺杂直接在上面制作出二极管,你就理解成3D打印机打印的这么个过程。其实芯片的制作是一个极其复杂的过程,这里只是大概的讲解了下过程。希望我的回答能够给大家解惑。


程序小崔


胶片照相机的原理。


用户67936185167


具我所知是光刻或蚀刻上去的,并非安装上去的,直接在硅片上刻,比如2极管,刻个2个长方形硅,中间在添加点硼或其它材料变成一个pN结,然后许许多的这样的二极三极管连起来组成逻辑运算单元,如非门、与门,与非门等,然后很多很多逻辑单元在组合成有各种功能的单元。总之对工艺要求很高,各元器件都是纳米极的。


2731828480软件开发


好象是,靠,激光,扫描切割,留下来,的,就是,电子,元件了,对吗??????????


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