地球的科技之巔——芯片 芯片，即集成電路，通常稱為IC（Integrated Circuit），是指在硅等半導(dǎo)體材料的單晶或芯片表面擴(kuò)散或植入電子電路和電子元器件的微觀陣列
它之所以被稱為集成電路，是因為它的元件、電路和基礎(chǔ)材料都是由一塊硅制成的，或者說是集成在一起的，而分立電路則不同，它的元件是由不同的材料分別制成的，然后再進(jìn)行組裝，此外，集成電路的復(fù)雜程度從簡單的邏輯模塊和放大器到包含數(shù)百萬個元件的完整微型計算機(jī)不等 毫無疑問，集成電路對我們生活的影響是巨大的，它已經(jīng)成為幾乎所有電子設(shè)備的主要部件，與之前的真空管和晶體管相比，集成電路的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在低成本、高可靠性、低功耗和高處理速度上 真空管和晶體管與集成電路 除了我們現(xiàn)在的電子消費品，集成電路還可以應(yīng)用在機(jī)床、車輛操作系統(tǒng)等設(shè)備中的控制器，以及其他以前使用液壓、氣動或機(jī)械控制的應(yīng)用 第一批集成電路誕生于20世紀(jì)50年代末，為了響應(yīng)軍方對用于導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的小型化電子產(chǎn)品的需求而誕生的，當(dāng)時，晶體管和印刷電路板是最先進(jìn)的電子技術(shù) 常見的印刷電路板，即PCB 雖然晶體管使許多新的電子應(yīng)用成為可能，但工程師們?nèi)匀粺o法制造出足夠小的封裝，以滿足復(fù)雜的控制系統(tǒng)和手持式可編程計算器等復(fù)雜設(shè)備所需的大量元件和電路 1959年集成電路發(fā)明后，在幾年時間里，可以集成到一個芯片中的元件和電路的數(shù)量每年都會翻一番，第一批集成電路最多只包含十幾個元件，產(chǎn)生這些早期集成電路的過程被稱為小規(guī)模集成（SSI） 到20世紀(jì)60年代中期，中型集成電路（MSI）已經(jīng)生產(chǎn)出數(shù)百個組件的集成電路，隨后是大規(guī)模集成技術(shù)（LSI），該技術(shù)已經(jīng)可以生產(chǎn)具有數(shù)千個組件的集成電路，這也使第一臺微型計算機(jī)成為可能 第一批在商業(yè)上大獲成功的8位家用計算機(jī)，分別是Commodore PET 2001，Apple II和TRS-80 Model 1 1969年，英特爾公司開發(fā)出第一塊微型計算機(jī)芯片，我們通常稱之為微處理器（microprocessor），并于1971年投入商業(yè)生產(chǎn)，它就是大名鼎鼎的Intel 4004 Intel 4004 接著，英特爾在1979年推出了他們的8088芯片，緊隨其后的是英特爾80286、80386和80486，而在20世紀(jì)80年代末和90年代初，286、386和486也開始為計算機(jī)用戶所熟知，因為它們反映了當(dāng)時計算能力和速度的不斷提高 在集成電路中，電阻、電容、二極管和晶體管等電子元件直接形成在硅晶體的表面，在了解制造集成電路的過程之前，我們先了解下這些電子元器件是如何形成的一些基礎(chǔ)知識 集成電路一探究竟
在第一個集成電路被開發(fā)出來之前，人們就知道普通的電子元件可以用硅來制造，但問題是如何用同一塊硅制造它們和連接電路？ 多晶硅 解決的辦法是通過添加其他化學(xué)物質(zhì)（dopants，稱為摻雜劑）來改變硅晶體表面微小區(qū)域的化學(xué)成分，一些摻雜劑與硅結(jié)合，產(chǎn)生摻雜劑原子可以放棄一個電子的區(qū)域，這些區(qū)域稱為N個區(qū)域，其他摻雜劑與硅結(jié)合，產(chǎn)生摻雜劑原子有空間吸收一個電子的區(qū)域，這些區(qū)域稱為P區(qū)域
當(dāng)P區(qū)與N區(qū)接觸時，它們之間的邊界被稱為PN結(jié)，這個邊界只有0.0001厘米寬，但對集成電路元件的運行至關(guān)重要 在PN結(jié)內(nèi)，兩個區(qū)域的原子以形成第三個區(qū)域（稱為耗盡區(qū)）的方式鍵合，其中P摻雜劑原子捕獲了所有N摻雜劑多余的電子，從而使它們耗盡 耗盡區(qū) 由此產(chǎn)生的現(xiàn)象之一是，施加在P區(qū)域的正電壓可以使電流通過結(jié)流入N區(qū)域，但施加在N區(qū)域的類似正電壓將導(dǎo)致很少或沒有電流通過結(jié)流回P區(qū)域，PN結(jié)的這種根據(jù)施加電壓的哪一面進(jìn)行導(dǎo)電或絕緣的能力，可以用來形成集成電路元件，以與二極管和晶體管相同的方式引導(dǎo)和控制電流流動 示意圖 例如，一個二極管就是一個簡單的PN結(jié)，通過改變摻雜物的數(shù)量和類型，改變P區(qū)和N區(qū)的形狀和相對位置，也可以形成模擬電阻和電容器功能的集成電路元件
集成電路的材料選擇
純硅是大多數(shù)集成電路的基礎(chǔ)，它為整個芯片提供了基底，并通過化學(xué)摻雜來提供構(gòu)成集成電路元件的N和P區(qū)域，而需要的硅的純度必須達(dá)到每100億個原子中只有一個是雜質(zhì)，這就相當(dāng)于十桶沙子里只允許有一粒糖，另外二氧化硅會被用作集成電路電容器中的絕緣體和介電材料 在其他材料的使用上，典型的N型摻雜劑包括磷和砷，而硼和鎵則是典型的P型摻雜物，鋁通常用作各種集成電路元件之間的連接器 從集成電路芯片到其安裝封裝的細(xì)線引線可以是鋁或金，而安裝封裝本身可能由陶瓷或塑料材料制成 封裝的細(xì)線引線可以是鋁 生產(chǎn)制造時，數(shù)以百計的集成電路同時在一片薄薄的硅片上制造，然后被分割成獨立的集成電路芯片，制造過程在嚴(yán)格控制的無塵室環(huán)境中進(jìn)行，空氣也是經(jīng)過過濾以去除外來顆粒，接下來，大致為大家科普下芯片的制造
沙子變形記
硅晶圓的生產(chǎn) 晶棒的生產(chǎn)采用的是丘克拉斯基法，具體就是將塊狀的高純度多晶硅置于石英坩堝內(nèi)，加熱到其熔點1420℃以上，使其完全融化，待硅熔漿的溫度穩(wěn)定后，將晶種慢慢插入，然后往上提升使直徑縮小到一定尺寸，維持此直徑并拉長100-200mm以消除晶種內(nèi)的晶粒排列取向差異 加熱并融化多晶硅 頸部成長完成后，慢慢降低提升速度和溫度，使頸部逐漸加大到所需尺寸（現(xiàn)在常用的硅晶圓尺寸是8英寸和12英寸），之后不斷調(diào)整提升速度和熔煉溫度，維持固定的晶棒直徑，直到長度達(dá)到預(yù)定值，形成一個圓柱形的純硅棒
純硅棒 接著用切片機(jī)將晶棒切割成每片約0.004至0.01厘米厚的薄片，并對其拋光，之后在晶圓的表面涂上一層二氧化硅，以形成絕緣基底，并防止硅的任何氧化而產(chǎn)生雜質(zhì) 金涂層硅晶片基板 二氧化硅的形成是通過在幾個大氣壓下將晶片置于約1000°C的過熱蒸汽中，使水蒸氣中的氧與硅反應(yīng)，而控制溫度和暴露時間的長短可以控制二氧化硅層的厚度
光刻 復(fù)雜的、相互連接的電路和元件設(shè)計是在類似于制造印刷電路板的過程中準(zhǔn)備的，然而，對于集成電路來說，其尺寸要小得多，并且有許多層相互疊加在一起 每層的設(shè)計都是在計算機(jī)上用軟件完成，之后圖像被制作成掩模，圖像被制作成一個掩模，掩模將被光學(xué)還原并傳輸?shù)骄A表面，掩模在某些區(qū)域是不透明的，而在其他區(qū)域則是透明的，它具有要在晶圓上形成的幾百個集成電路的所有圖像 光掩模 圖源Wikipedia 然后在硅片的中心放置光刻膠材料并快速旋轉(zhuǎn)硅片，使光刻膠分布在整個表面上，接著烘烤光刻膠以除去溶劑，此時，再將涂覆好光刻膠的晶圓放置在第一層掩膜下，用光照射，由于電路和元器件之間的空間非常小，所以常使用波長非常短的紫外光來擠壓掩膜上的微小透明區(qū)域，另外電子束或X射線有時也用來照射光刻膠 圖源Wikipedia 除去掩模后，部分光刻膠被溶解，如果使用正性光刻膠，那么被照射的區(qū)域?qū)⒈蝗芙?，如果使用?fù)性光刻膠，那么被照射的區(qū)域?qū)⒈３植蛔儯缓髮ξ锤采w的區(qū)域進(jìn)行化學(xué)蝕刻，以打開一層，或者對其進(jìn)行化學(xué)摻雜以形成一層P或N區(qū)域
摻雜-原子擴(kuò)散 添加摻雜劑以形成P或N區(qū)域?qū)拥囊环N方法是原子擴(kuò)散，在這種方法中，一批晶圓被放置在由石英管和加熱元件組成的烤箱中，將晶圓被加熱到集成電路的工作溫度約816-1205°C后，在惰性氣體中攜帶摻雜劑化學(xué)品
當(dāng)摻雜劑和氣體通過晶圓時，摻雜劑會被沉積在光刻工藝留下的暴露在熱表面上，這種方法對于摻雜相對較大的區(qū)域很好，但對于較小的區(qū)域則不準(zhǔn)確，隨著連續(xù)層的增加，重復(fù)使用高溫也存在一些問題
摻雜離子注入 第二種添加摻雜劑的方法是離子注入，在這種方法中，摻雜氣體，如磷化氫或三氯化硼，被電離以提供在晶圓特定區(qū)域發(fā)射的高能摻雜離子束，離子穿透晶圓并保持植入狀態(tài)，此外可以通過改變束流能量可以控制穿透深度，通過改變束流和曝光時間可以控制摻雜量
連續(xù)分層 根據(jù)所使用的摻雜過程，對每個連續(xù)層重復(fù)光刻、蝕刻或摻雜的過程，直到所有集成電路芯片完成為止，有時一層二氧化硅被放置下來，以在層或組件之間提供絕緣體 這是通過一種稱為化學(xué)氣相沉積（chemical vapor deposition）的工藝來完成的，在這種工藝中，晶圓的表面被加熱到約400°C，氣體硅烷和氧氣之間的反應(yīng)沉積了一層二氧化硅，最后的二氧化硅層密封了表面，最后的蝕刻打開了接觸點，并沉積了一層鋁來制造接觸墊，此時，再來測試單個集成電路的電氣功能 化學(xué)氣相沉積示意圖
晶圓切片 薄薄的晶圓就像一塊玻璃，數(shù)百個單獨的芯片是通過用精細(xì)的鉆石切割器劃出一條交叉線，然后將晶片置于壓力下，使得每個芯片分開的方式來分離的 那些沒有通過電氣測試的不良產(chǎn)品會被丟棄，同時顯微鏡下的檢查顯示，分離過程中損壞的部分也會被丟棄，最終，完成封裝的集成電路被密封在防靜電塑料袋中，以便儲存或運給最終用戶 精彩推薦： 漫畫科普：芯片是如何設(shè)計出來的
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