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揭秘芯片诞生全过程：真空状态高度自动化生产& X# t1 M) a8 c) v
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2010年10月26日 新浪科技8 G' X" A2 u3 m! D2 k0 y) O8 J* y
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导读：美国《连线》杂志记者日前造访了美国应用材料公司的梅坦技术中心(Maydan Technology Center)，探访设在那里技术一流的无尘室，揭秘芯片诞生的全过程。以下为《连线》杂志文章全文：; P8 y* S' h3 V9 V( h- j0 |/ i) X
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2 |8 Q& B9 n+ @/ b* ^( A, e- n7 A5 W 如果你希望写一封电子邮件，给网页数据库建索引，以每秒60帧的频率呈现爆炸画面，你必须首先制造一台电脑。而要制造电脑，你首先得设计和制造微型处理器，快速处理完成上述每个数字动作的数百万个不同的计算步骤，进而采取运算速度达每秒30亿次左右的新步骤。7 r( s- i1 v0 H% D$ \( h
! r+ ?8 G/ ^3 M# v 要做到这一点，你可能需要美国应用材料公司(Applied Material)生产的芯片制造工具。美国应用材料公司是世界上向半导体行业出售这种设备的主要厂商之一。应用材料公司的机器设备会令硅晶片(如英特尔硅晶片)遭受超强真空处理、“化学浴”浸泡、高能等离子体加工、紫外光照射等一系列步骤，同时还要使硅晶片经过数百个制造阶段，从而将它们变成CPU、存储器片、图形处理器等。
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由于上述步骤不利于人体健康，所以，部分操作步骤必须在密封的真空室内进行，需要机械臂将硅晶片从一个处理站移到另一个处理站。而机器本身放置在无尘室内。无尘室的纯净气体和身穿防护服的技术人员可以降低空气受污染的几率：头发上掉下的一个尘粒便能毁坏售价500美元的CPU，所以，公司渴望将发生这种事件的几率降至最低。! z/ l5 r! ?" e, _! q7 N
. e9 [ D/ [+ B8 H0 b6 | 《连线》杂志记者日前造访了美国应用材料公司的梅坦技术中心(Maydan Technology Center)。梅坦技术中心是位于加州圣克拉拉市的技术一流的无尘室，应用材料公司在那里开发和测试设备。整个技术中心的超净工作区占地面积3.9万平方英尺，相当于81个橄榄球场，分成三个大型“舞厅”，每个都堆满了应用材料公司价值数百万美元的设备以及软管、零部件、腐蚀性化学物箱子、工具箱和一堆堆的硅晶片。
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: P+ S2 {1 N4 y4 |9 y/ \ 1.应用材料公司无尘室
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应用材料公司无尘室
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# f8 W' x, G; ] V 在进入梅坦技术中心以前，你必须穿上防护服，戴上面具、护目镜、两幅手套以及将鞋完全套住的塑料袋。记者甚至不能将笔记本带入内：相反，应用材料公司给了他们几个用收缩膜包装的、在无尘室经过特殊消毒处理的笔记本和钢笔使用。9 H# z$ T& r6 m* m# T! L2 C5 L
这里不是生产车间，相反，这个无尘室只是模拟了晶圆厂的环境，应用材料公司的设备将在这种环境下使用，以便公司及其客户可以测试新技术和新工艺，然后真正将它们推向生产线。所以，此次采访让《连线》记者对尖端半导体制造行业的生产规程有了难得的了解。5 D( W" s |5 H8 ?" o( Q
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2.玻璃光掩膜) \4 a8 s( I$ V3 i) X' ? B2 L, u4 q
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/ J# e) j% f) o玻璃光掩膜
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+ \" ^, q# \/ k 芯片制造的核心技术是平版印刷(光刻)，这种技术就像是丝网印刷，只不过不是通过丝制模板将墨滚压至棉T恤上，而是通过玻璃光掩膜，使紫外光照射表面涂有光刻胶(一种有机化合物)的硅衬底上。在紫外光照射穿透的地方，光刻胶的化学特性会被削弱，使硅晶片表面留下图案。接着，硅晶片会被送入一个“化学浴室”，在暴露在外的硅衬底上蚀刻沟槽，同时光刻胶覆盖的区域不会受到任何影响。在去除了光刻胶以后，其他设备会用各种材料填补沟槽，比如用于制造处理器零部件的铜或铝。此图显示的就是光掩膜，上面印有将打印到硅晶片上的图案。
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3.技术一流的机器设备9 ~- W5 d$ H3 h2 x+ J' X) B( _
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, v P% l+ e. z* l* n技术一流的机器设备 ! a H; M* q2 s9 |
) X8 I( W0 i+ c9 i; y* b 随着硅晶片被送进制造车间，它将经过多达250个不同步骤的处理。这些步骤包括给各种材料覆上一层薄膜，接着蚀刻以制成晶体管和铜线。右图是应用材料公司的Endura机器。Endura平台是一个模块化、可配置系统，用于将金属和金属合金安装到硅晶片。据应用材料公司的专家介绍，过去20年制造的几乎所有芯片都用到了Endura平台。
+ L5 O- a! E+ a: } 左图则是应用材料公司Tetra III先进掩膜刻蚀系统。世界各地所有的掩膜制造商都利用这套系统开发和生产直径为45纳米的掩膜。由于应用材料公司正在开发和测试新制造设备，该公司将大量资金投入到科研领域。2009年，应用材料公司在研发方面的投入高达9.34亿美元，相当于年营收的20%左右。 ?1 N& Z& s2 D
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4.平板印刷室一瞥
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# f8 q5 A& r# k) G3 Z平板印刷室一瞥 r" u4 E# ~! W# Q
. o. \1 z/ Y) c0 P7 F: C 根据现阶段的技术发展水平制造的芯片直径是30纳米，也就是说，芯片零部件的平均尺寸大概是300亿分之一米。芯片制造商目前正在开发直径22纳米的芯片设计，这会使得芯片零部件的尺寸更小。有些零部件的厚度远远超过宽度，有时，这一比例达到60比1，进一步增加了芯片制造的难度。因为这意味着蚀刻系统必须能以纳米刻度，以超高精度在芯片上刻下极深、极窄的沟槽。平板印刷室里面点着黄色的灯，避免光掩膜与紫外线相互干扰。
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8 _1 ?7 A( E% j5 n& J! k/ w$ u 5.极端真空状态: L7 I, f8 M( N' j0 ^
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" Y* }0 _# q; `% ?2 Z极端真空状态 : }8 P. y0 y! y% n. w: J) G
2 R9 q+ z" H$ A! K2 S( l3 i 技术人员在Endura系统的触摸屏界面上工作。图左是大型银泵，用于在机器内产生极端真空状态——低至10-12个大气。相比之下，距地面124英里(约合200公里)的高空(航天飞机飞行轨道所在位置)的气压为10-10个大气。
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8 W1 H7 W+ V/ p) Q 6.“此处无金属”
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Centura机器右侧的银色金属设备是一个斗式装载机(batch loader)，用于快速给一叠硅晶片降压，然后将它们输送至Centura机器中加工。绿色“无金属工具”标识意味着，这台机器被用在增加铜线路以前的一个过程。铜是一种污染物，会将加工过程的非金属阶段搞砸，所以，添加铜的机器需要进行小心隔离。
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# L5 T+ P) l9 c) s( b 7.前置式晶圆传送盒. f5 B1 g2 ~; x7 ]& i% A9 m& z
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) m. c6 s" ?1 L( }9 ]0 ?: b' K前置式晶圆传送盒
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b- z- y' M, E 过去几十年，用于制造芯片的硅晶片在尺寸上稳步增加，使得制造商可以在每张盘上集成更多的芯片。从2000年开始，硅晶片直径的行业标准一直为300毫米。为简化传送过程，将污染的风险降至最低程度，晶圆厂会充分利用前置式晶圆传送盒(简称FOUP)。每个前置式晶圆传送盒可以在无菌的清洁环境下放置25个硅晶片。它们能够被放在应用材料公司大多数机器的前端。接着，机器吸入里面的硅晶片，一个个地自动快速加工。! Y8 k% g0 W- J$ u. W* Y1 h/ w7 R
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8.高度自动化! u; n, j$ M& T. M4 I! ~
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7 k4 X5 m, ]% h% V高度自动化 3 c0 x$ y1 M( `5 M1 \2 G
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因为放满硅晶片的前置式晶圆传送盒很重，大约为20磅(约合9公斤)，自动化就成了无尘室设计的重要部分。应用材料公司的无尘室有一条自动化悬挂单轨，可将前置式晶圆传送盒从一处输送至另一处。在照片中显示的密封房间内，最多可以放置700个前置式晶圆传送盒(可装1.75万个硅晶片)。机械臂将它们从两侧移进移出，放置在贯穿于整个无尘室的悬挂单轨(这张照片上没显示)。+ Z1 d. t( \ B( j
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另外2800个前置式晶圆传送盒可以存放于主无尘室下面的一层。现代无尘室中的每一台机器都围绕300毫米的硅晶片设计和制造。新一代芯片将采用450毫米的硅晶片制造，从而实现更大的规模效益。但是，要与450毫米的硅晶片兼容使用，整个行业必须更换每一个设备零部件，所以，许多公司不愿作出这种调整也可以理解。一旦实现了这种过渡，这会是应用材料公司、英特尔、AMD等企业之间长期谈判的最终结果。* E# ?! A$ z6 Y z6 _) l( x
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零部件精确制造 % R$ P0 G2 r- N4 r$ K6 _
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虽然电脑芯片仅相当于手指甲大小，但却由数亿个晶体管构成，而用于将这些晶体管连接于机器、再将机器与主板和剩余世界连接的配线更是像迷宫一般。芯片全部是用直径大约1英尺(约合30厘米)的圆形硅晶片制造，每个可以包含200个独立、但外形相同的处理器。由于偶尔会发生污染事件，虽然无尘室极为干净，制造商仍必须测试那些处理器的每一个零部件，以确保5亿个零部件(每个直径仅30至45纳米左右)在制造过程中不会出现任何瑕疵。所以，这类机器的成本高达数千亿美元，也就不足为奇了。一个可容纳数百台此类机器的成熟晶圆厂，建造成本达数十亿美元。2009年，全球半导体销量总额达2263亿美元，像英特尔这样的公司是世界上最赚钱的企业之一。+ p/ ?% o( o m: u$ [" w9 _
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技术人员休息时间 : Z/ ]1 o$ h/ f z' m
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身穿防护服的工程师和技术人员在无尘室内工作，他们负责设计和监督机器内发生的过程。不过，一旦某个操作过程启动，它很大程度上属于自动化，工程师和技术人员此时就可以稍微轻松一下。穿上或脱下这种多层防护服，每次大概需要10分钟时间。虽然有经验的技术人员可以在几分钟内完成这一步，问题是你在无尘室一般只能呆上很短时间，所以说这个过程足够的繁琐。所以，技术人员在机器运行时通常不会走出无尘室，而是使用房间内的笔记本电脑处理其他事务。比如，分析数据，写报告，查看邮件。当他们做这些事情的时候，其实正用到在这样的无尘室内制造的芯片。(孝文) |
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发表于 2010-10-27 10:54:58