关于芯片和芯片设计的科普——集成电路设计人员给家人的科普

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1、从沙子到芯片微电子技术20世纪最伟大的技术信息产业最重要的技术进步最快的技术微电子技术应用芯片，现代社会的基石PDA：掌上电脑内存条手机计算机主板数码相机电子产品世界第一台通用电子计算机--ENIAC1946年2月14日在美国宾夕法尼亚大学的莫尔电机学院诞生(莫科里)，由18,800多个电子管组成，重量30多吨，占地面积170多平方米。大小：长30.48m，宽6m，高2.5m；速度：5000次/sec；功率：150KW；平均无故障运行时间：7min电子产品智能手机2012年2月14日在美国苹果公司发布IPHONE5手机，CPU型号：苹果A6CPU频率：102

2、4MHzGPU型号：ImaginationPowerVRSGX543MP3RAM容量：1GBROM容量：16GB。手机尺寸：123.8x58.6x7.6mm手机重量：112g微电子技术飞速进步自从IC诞生以来，IC芯片的发展基本上遵循了公司创始人之一的Gordon E. Moore1965年预言的摩尔定律。该定律说：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。微电子技术飞速进步摩尔定律应用于汽车行业1965年Silve

3、rShadow售价10000英镑？？？？0.0000023英镑=0.3分起源——沙子沙子：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。硅提纯硅熔炼：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)。硅锭单晶硅锭：整体基本呈圆柱形，重约100千克，硅纯度99.9999％。硅片硅锭切割：横向切割成圆

4、形的单个硅片，也就是我们常说的晶圆(Wafer)。顺便说，这下知道为什么晶圆都是圆形的了吧？加工晶圆晶圆：切割出的晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕，表面甚至可以当镜子。事实上，Intel自己并不生产这种晶圆，而是从第三方半导体企业那里直接购买成品，然后利用自己的生产线进一步加工，比如现在主流的45nmHKMG(高K金属栅极)。值得一提的是，Intel公司创立之初使用的晶圆尺寸只有2英寸/50毫米。涂胶光刻胶(PhotoResist)：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。光刻光刻：光

5、刻胶层随后透过掩模(Mask)被曝光在紫外线(UV)之下，变得可溶，期间发生的化学反应类似按下机械相机快门那一刻胶片的变化。掩模上印着预先设计好的电路图案，紫外线透过它照在光刻胶层上，就会形成微处理器的每一层电路图案。一般来说，在晶圆上得到的电路图案是掩模上图案的四分之一。光刻光刻：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。光刻光刻胶：再次浇上光刻胶(蓝色部分)，然

6、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。离子注入离子注入(IonImplantation)：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。清除光刻胶清除光刻胶：离子注入完成后，光刻胶也被清除，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。晶体管就绪晶体管就绪：至此，晶体管已经基本完成。在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞，并填充铜，以便和其它

7、晶体管互连。电镀电镀：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)。电镀铜层：电镀完成后，铜离子沉积在晶圆表面，形成一个薄薄的铜层。抛光抛光：将多余的铜抛光掉，也就是磨光晶圆表面。。金属层金属层：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。晶圆测试晶圆测试：内核级别，大约10毫米/0.5英寸。图中是晶圆的局部，正

8、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