芯片荒为啥解决不了 造个芯片有多难

2021-07-23 14:19产品 标签:芯片

不管是处理器显卡还是硬盘内存,甚至是汽车,现在都因为芯片供应问题在喊着“缺缺缺”,价格“涨涨涨”。更要命的是,原本以为年底就差不多完事的芯片荒,英特尔表示恐怕要延续到2023年了,大家还得等等等。芯片荒的市场原因咱们之前的推送中已经解释过了,那为啥不赶紧扩产呢?今天咱们来了解一下芯片生产有多难,大家就能理解了。

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这里要注意的是,我们说的是生产!生产!生产!,随着“代工”行业的蓬勃发展,现在能够设计的芯片公司很多,各种新的芯片总是在不断发布,但它们都是纸面上存在的产品,千万不要和生产出来的芯片混淆。另外,为了便于说明,咱们这里就以最典型的芯片,也是英特尔CEO提到的CPU来说明。

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我们经常能看到一句玩笑话“芯片就是沙子”,理论上这句话没有错误,但是要想实现从“沙子到芯片”的转变,那真是无比困难。总体来说,芯片的制造过程需要一个非常冗长的制作阶段,每一步都是集尖端技术之大成。

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● 从沙提纯开始

目前芯片的制造,是基于一种名为硅(silicon)的化学元素。它是半导体,芯片的计算是通过半导体的不断“开/关(导通/断开)”来完成的,所以实际上芯片的最核心部件某种程度上可以被称作“硅做的半导体开关总和”。

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小知识:什么是半导体?

半导体是一种电导率在绝缘体至导体之间的物质。电导率容易受控制的半导体,可作为信息处理的元件材料。

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我们通常是从沙子中提取硅,也就是所谓的“沙子变芯片”。首先用焦炭去烧沙子,得到粗炼的硅,然后精炼,使其纯度提升到99.99%以上。然后通过石英熔炉融化后,慢慢的定向结晶,生产出内部结构均匀、纯净的晶体,即所谓的单晶硅,其最终纯度会达到惊人的99.999999999%。这个过程的周期就已经很长、对生产环境的洁净度等要求很高了。

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这里要注意的是,单晶硅并不是纯粹的圆柱体,200mm直径以下的产品会有一个平切面,作用就是在后续工艺中能进行固定和定位。到了200mm以上的晶圆上,为了尽量利用晶圆生产更多的芯片,减少不必要的浪费,这个平切面就变成了一个小切口,这样可以节省一部分晶圆面积,用来制造芯片。

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● 切割晶圆

之后单晶硅送至其他厂商(一般就是光刻厂)或下游工序切成薄薄的小片,厂商会在绝对无尘的环境下,通过“金刚线”切割。这个过程不是单纯的一“切”了事,切的方法也是根据硅晶圆的尺寸而有所区别的。

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这一步听起来很容易,实际不然,在切割过程中半导体晶圆边沿容易出现微裂、崩边和应力集中点,晶圆表面也存在应力分布不均和损伤,这会造成晶圆制造中产生大量滑移线、外延层错、滑移位错、微缺陷等二次缺陷以及半导体晶圆、芯片破裂。所以需要极高技术水平的切割工艺来克服线锯的晃动、提高其稳定性。

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听起来是不是已经非常困难了?更难的事情在后面。现在这个切好的薄片并不能做什么,接下来的步骤是给这个切片涂抹光阻剂,这个光阻剂的涂抹需要非常均匀而且非常薄,相当于把这个晶圆切片成为一个胶片底板,方便后续的影印、蚀刻。

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● “拍照、印刷”制作基板

接下来就是最复杂的光刻制造工艺了,要用这些涂抹了光阻剂的切片“拍照”。工厂使用专业设备,通过高能光线将印制了芯片复杂电路结构图样的“模板”投射到这些晶圆切片之上,图样的透光部分射出的光线会让照射到的部位光阻剂溶解。之后涂上金属层,就形成了一个粗糙的线路,或者说芯片模块的雏形,这个过程相当于给后续芯片制造做一个“基板”。

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这一步同样看似简单,其实复杂程度超出想象——每个遮罩的数据量都是以10GB为单位。而遮罩本身的精细程度、光线的准确程度、涂抹的精密均匀程度等要求也是极高的。目前的线路精细程度,也就是所谓的生产工艺达到nm级别,甚至已经要考虑光线波长的衍生等影响,因此要使用波长很短的紫外线或极紫外线。

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另外,要让光线聚焦、偏转,还得使用大曲率的透镜、反射镜等装备,它们的制造精密度要求也极高,且每一次折射、投射都会损耗能量,就对光源功率、镜片耐热等提出了极高要求,使得集成这一切的光刻机更为复杂,而光刻机的能力直接影响到了蚀刻的成功率,也就是通常说的良品率。

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此外,蚀刻并不是一次就够的,随着芯片的发展,其设计越来越复杂,往往是很多层电路组成的。所以需要反反复复在晶圆上一层一层的蚀刻,在生产时还需要在每一层电路之间留下连通的通道,每一层蚀刻前都需要重复涂抹光阻剂、影印、填充金属,可能还需要清洗等,现在芯片蚀刻的步骤通常都需要20步以上。

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这些电路构成的晶体管结构以及联通电路都要考虑漏电、电阻等诸多问题,因此要使用更复杂的结构,比如FinFET等,要实现这些结构,制造工艺就变得更加复杂。

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这些先进的制程技术和复杂结构可以让电路之间的导通更为高效、紧凑,让芯片发挥出更好的性能,但也进一步提升了制造的复杂度,对光刻工艺的软硬件都提出了极高的要求。所以如今的光刻机价格已经达到了亿美元级别,生产交货周期以年计,更需要洁净度极高的厂房,极为专业的人员等配套,因此扩产的成本极高、周期极长。

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● 封装、测试 成为产品前的最后两步

电路制造完毕后的芯片在清洗掉光阻剂等材料后就可以走出光刻机甚至代工厂了。下一个工序或者下一个工厂会将这一个个制造好的芯片,也就是一个个的DIE切割下来。这时候它们还不能直接使用,而且直接暴露的硅片很脆弱,需要进行封装,就是把每一个被切割下来的小方块安装在基板上,引出与外部连接的引脚,通常还会盖上一个保护脆弱硅片的盖子。

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封装的意义并不仅仅是让这颗小芯片能有办法“插”到主板上,更关键的问题在于,芯片本身的晶体管密度已经超乎寻常,然而主板的布线密度相形之下就要“稀疏”许多了,如何让落差巨大的二者能完美结合就是个巨大的挑战。封装原本只不过是连接安装之用,而今也承担了这个重任——以最低成本将高密度与低密度线路结合在一起。

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此外在晶圆出厂前,封装前后还要进行测试,确认是否能工作、是否有瑕疵、问题出在何处等。有时我们会看到晶圆上有些DIE被破坏,或者是封装后的晶圆上留下了一些DIE,就是这些出了问题,或者不合格的产品。

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在这个步骤里,那些能运行的DIE和芯片,也会有频率上不去,缓存有缺陷,某些功能不能正常运行(如核显)的。厂商会通过屏蔽、调整,将芯片划为“三六九等”,比如一块CPU是酷睿i3、英特尔酷睿i5、英特尔酷睿i7还是i9;一块GPU是RTX 3080还是RTX 3090;一个内存颗粒是DDR4 2666还是3200等,都是在这个测试环节被区分出来的。

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最后将芯片的型号、编码等刻到顶盖,再经过包装,一颗可以成为商品化的芯片,或者说本例中的CPU就诞生了。在这一封装测试环节中,同样涉及到及精细的引脚焊接等工艺,虽然远没有光刻的门槛高,却也已经属于高科技、高精密工业的范畴。

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总之,芯片制造领域不仅流畅超长,而且几乎每一步都是目前人类工业能力的最高表现形式。其制造之艰难、产能扩展之缓慢,小伙伴们应该也就能理解了吧。

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