破碎的芯片


芯片在我们的生活中无处不在,电脑、手机、手表、电冰箱、遥控玩具,甚至航天飞机、宇宙飞船,都离不开芯片这一信息处理中心。

芯片只有我们手指甲盖大小破碎的芯片,但是就这么一个小小的家伙,却可以在1秒钟进行上百亿次运算,处理成千上万条信息。芯片的生产则是世界上最复杂的事情之一,它的原料主要是金属和硅,而硅广泛存在于沙子中,要想用沙子生产出合格的芯片,必须要经过相当复杂的过程。

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首先,要对沙子进行严格的检测,检测出其中的硅含量,硅含量高的沙粒才能被留下来。精选出来的沙子将被投入温度高达上千度的熔炉里进行融化,同时加入化学试剂去除沙子里的氧元素,使沙子里剩下的硅元素结合到一起,形成人们通常所说的“多晶硅”。但是这时的多晶硅就像一个千疮百孔的蜂窝,容易破碎,无法满足芯片加工的要求。因此破碎的芯片,多晶硅必须经过再次熔炼,形成结构完整一致的“单晶硅”。随后将熔化后的液态硅注入大型高温石英容器,并从高温容器中采用旋转拉伸的方式将硅原料取出,此时一个圆柱体的硅锭就产生了。

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硅锭形成以后,芯片的制作才正式开始。先把硅锭切割成薄片,切片越薄,用料越省,可以生产的芯片就越多。再对切片进行严格的抛光打磨处理,就得到了“晶圆”,它就象中国古代的铜镜一样,平滑光亮。

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接下来,切割好的“晶圆”将被送进“超净室”。在这里,将进行芯片制造过程中工艺非常复杂的一个步骤——光刻蚀,也就是要在晶圆上面刻上复杂的电路图。首先将每一个切片放入高温炉中加热,通过控制加温时间而使切片表面生成一层二氧化硅膜,然后再覆盖一层光刻胶,这种物质遇到紫外线会自动溶解。最外面是印制着电路图的石英模板。紫外线透过石英模板上镂空的刻痕照射到晶圆上,被紫外线照射的地方光刻胶曝光。再通过化学方法去除被照射曝光的部分,晶圆上就会形成与模板一致的电路图形。然后改变被光刻区域的导电性能,就形成了晶体管的电极。这种光刻蚀的步骤要反复进行,每一步进行一层刻蚀,在每层之间采用金属涂膜的技术进行层间的导电连接,从而在芯片上形成多层电路。

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芯片上的电路图非常复杂,简直可以跟整个北京地图相媲美,甚至还要复杂。试想一下,把北京地图缩小到只有1平方厘米大小的芯片上,那么这个芯片的线路结构有多么精细,就可想而知了。人的头发平均直径是100微米,而芯片上的电子线路宽度通常只有0.045微米,几乎是一根头发直径的1 / 2000。如果把电子线路放大到一根头发的粗细破碎的芯片,那么芯片的面积将相当于一个足球场的大小。要刻上如此复杂而准确的电路,就算世界上最好的微雕大师都自叹不如!

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刻蚀完成后,整片的晶圆被切割成一个个独立的芯片单元,再进行封装,一个高性能的芯片就诞生了。

(文 王珊珊)

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