半导体芯片小白基础知识 (2) (28 天写作 Day23/28)
今天想继续学习芯片基础知识。 大多数内容都来自文献[1]。特别注明感谢。
昨天的文章半导体芯片小白基础知识 (1)，大概记录了下半导体到芯片的几个概念，今天主要记录下晶圆、光刻机等这些听说过但不知道是干啥的东东。
收音机 vs. 芯片
有一个概念必须弄清楚。
回顾昨天的文章，
半导体产品主要包括两大类：
集成电路 IC（芯片）
半导体分立器件（D-O-S）。
半导体分立器件可分为分立器件（二极管、三极管等）、光电子器件和敏感器件。
比如收音机里面用到的二极管这些，属于分立器件。
用这些分立器件组合出来的组合电路也不叫芯片，这叫'收音机'，哈哈！
芯片是不一样的，为了能把庞大的运算电路搞成指甲盖那么大，就需要把多余的东西通通扔掉，直接在硅片上制作 PN 结和电路。
为啥用硅做芯片？
硅经常用来做半导体的基础材料。但为啥是'硅'？
原因 1：多！
硅非常非常多！在地壳上，硅是仅次于氧第二丰富的元素，但是你基本上无法在自然界找到硅单质，其最常见的化合物是二氧化硅和硅酸盐。而其中二氧化硅又是沙子的主要成分之一。
硅并不是地球上唯一的半导体元素，甚至算不上是最好的。但很重要的一点是硅是一种非常丰富的元素。在地球上的每一个地方硅都可以很轻松地获得，并不需要特定的矿厂。而且经过了几十年技术的发展，硅的处理工艺已经发展成熟，人类已经可以可以在工厂中生产近乎完美的硅晶体。这些硅晶体相对于硅就等于是砖石相对于碳。
原因 2：可以和其它原子进行非常紧密的结合，结构也非常复杂
比如，PN 结中的 P 型半导体就是硅+硼，N 型半导体就是硅+磷。
晶圆！为什么硅片是圆形的，但芯片却是方形的，不是圆形的呢？
自然界没有硅单质，需要提纯生产。
把硅石氯化了再蒸馏，可以得到纯度很高的硅，切成片就是我们想要的硅片。
硅的评判指标就是纯度，你想想，如果硅里有一堆杂质，那电子就别想在满轨道和空轨道之间跑顺畅。
芯片用的电子级高纯硅要求 99.999999999%(别数了，11 个 9)，几乎全赖进口，直到 2018 年江苏的鑫华公司才实现量产，目前年产 0.5 万吨，而中国一年进口 15 万吨。
为啥叫晶圆？因为生产时需要旋转，出来就是个圆柱体
硅提纯时需要旋转，成品就长这样：
看下图。
所以切片后的硅片也是圆的，因此就叫“晶圆”！
看下图。
那为什么芯片是方形的？
答案简单，圆的多浪费！
台积电这些晶圆代工厂是干啥的？
晶圆切好片之后，就要在晶圆上把成千上万的电路装起来的，干这活的就叫“晶圆厂”。
把芯片在晶圆上刻好后的样子，看下图。
光刻机来雕刻电路，刻蚀机刻沟槽
具体咋在晶圆上刻电路呢？(文献[1])
(1) 在晶圆上涂一层感光材料，这材料见光就融化。
(2) 刻图。光刻机，可以用非常精准的光线，在感光材料上刻出图案，让底下的晶圆裸露出来。
(3) 刻沟槽。然后，用等离子体这类东西冲刷，裸露的晶圆就会被刻出很多沟槽，这套设备就叫刻蚀机。
(4) 产出 N 型半导体。 在沟槽里掺入磷元素，就得到了一堆 N 型半导体。
(5) 产出 P 型半导体。 完成之后，清洗干净，重新涂上感光材料，用光刻机刻图，用刻蚀机刻沟槽，再撒上硼，就有了 P 型半导体。
实际过程更加繁琐，大致原理就是这么回事。有点像 3D 打印，把导线和其他器件一点点一层层装进去。
这些牛逼的设备：光刻机、刻蚀机、离子注入机
光刻机
看图。
芯片良品率取决于晶圆厂整体水平，但加工精度完全取决于核心设备，就是“光刻机”。
光刻机，高端的目前只认荷兰阿斯麦公司(ASML)一家。
产量还不高。
无论是台积电、三星，还是英特尔，谁先买到阿斯麦的光刻机，谁就能率先具备更先进工艺。
阿斯麦是唯一的高端光刻机生产商，每台售价至少 1 亿美金，2017 年只生产了 12 台，2018 年预计能产 24 台，这些都已经被台积电三星英特尔抢完了，2019 年预测有 40 台，其中一台是给咱们的中芯国际。
既然这么重要，咱不能多出点钱吗？
第一：英特尔有阿斯麦 15%的股份，台积电有 5%，三星有 3%，有些时候吧，钱不是万能的。
第二，美帝整了个《瓦森纳协定》，敏感技术不能卖，中国、朝鲜、伊朗、利比亚均是被限制国家。
刻蚀机
重要性仅次于光刻机的刻蚀机，中国的状况要好很多，16nm 刻蚀机已经量产运行，7-10nm 刻蚀机也在路上了，所以美帝很贴心的解除了对中国刻蚀机的封锁。
其他
在晶圆上注入硼磷等元素要用到“离子注入机”，涂感光材料得用“涂胶显影机”，光刻胶这些辅助材料。
基本上都是美日企业占绝对优势地位，我辈加油呀。
参考文献
往期传送门
版权声明: 本文为 InfoQ 作者【mtfelix】的原创文章。
原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/d9f719efe683fa350ed1b2551】。文章转载请联系作者。
内心平静是一生的追求 2018.01.17 加入
简单的技术人
评论