‘壹’ 制造芯片需要什么
制造一颗芯片需要5000道工序
一位芯片制造领域的专家向北青报记者介绍,一颗芯片的制造工艺非常复杂,一条生产线大约涉及50多个行业、2000-5000道工序。就拿代工厂来说,需要先将“砂子”提纯成硅,再切成芯片,然后加工芯片。芯片加工厂包含前后两道工艺,前道工艺分几大模块——光刻、薄膜、刻蚀、清洗、注入;后道工艺主要是封装——互联、打线、密封。其中,光刻是制造和设计的纽带。
其中许多工艺都在独立的工厂进行,而使用的设备也需要专门的设备厂制造;使用的材料包括几百种特种气体、液体、靶材,都需要专门的化工工业。另外,集成电路的生产都是在超净间进行的,因此还需要排风和空气净化等系统。
有说法认为,集成电路是比航天还要高的高科技。该业内人士表示,这种说法也不无道理,“航天的可靠性估计也就4个9、5个9的样子(X个9表示在软件系统一年时间的使用过程中,系统可以正常使用时间与总时间之比)。现在硅晶圆材料的纯度就要6个9以上。”
焦点:全球芯片几乎被美日欧垄断
根据前瞻研究院的报告显示,目前,全球芯片仍主要以美、日、欧企业产品为主,高端市场几乎被这三大主力地区垄断。在高端芯片领域,由于国内厂商尚未形成规模效应与集群效应,所以其生产仍以“代工”模式为主。
截至2015年年底的数据显示,全球共有94家先进的芯片制造厂商,其中17家在美国,71家在亚洲(中国有9家),6家在欧洲。日本在上世纪80年代处于领先地位,但自90年代开始其全球半导体市场份额显着下降,至2015年仅有3家日本芯片制造商位列全球排名前二十——东芝、瑞萨电子和索尼。而与此同时,东亚其他国家已成为动态随机存取存储器市场的主要公司。韩国三星电子和海士力目前是世界第二和第三大半导体公司。
根据美国半导体产业协会(SIA)的最新统计数据显示,2017年1月至2月,中国和美国的芯片市场规模份额扩大,分别为33.10%和19.73%;日本和欧洲的芯片市场份额有所下降,分别为9.29%和9.12%。中国芯片市场是全球最大、增长最快的市场,但是对外依存度过高。
‘贰’ 芯片是什么材料的这材料有什么性质
芯片的材质主要是硅,它的性质是可以做半导体。
高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第IIIA族元素,形成p型硅半导体;掺入微量的第VA族元素,形成n型半导体。p型半导体和n型半导体结合在一起形成p-n结,就可做成太阳能电池,将辐射能转变为电能。在开发能源方面是一种很有前途的材料。
另外广泛应用的二极管、三极管、晶闸管、场效应管和各种集成电路(包括人们计算机内的芯片和CPU)都是用硅做的原材料。
使用单晶硅晶圆(或III-V族,如砷化镓)用作基层,然后使用光刻、掺杂、CMP等技术制成MOSFET或BJT等组件,再利用薄膜和CMP技术制成导线,如此便完成芯片制作。
因产品性能需求及成本考量,导线可分为铝工艺(以溅镀为主)和铜工艺(以电镀为主参见Damascene)。主要的工艺技术可以分为以下几大类:黄光微影、刻蚀、扩散、薄膜、平坦化制成、金属化制成。
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芯片在一定意义上讲,它决定了主板的级别和档次。它就是"南桥"和"北桥"的统称,就是把以前复杂的电路和元件最大限度地集成在几颗芯片内的芯片组。
芯片组是整个身体的神经,芯片组几乎决定了这块主板的功能,进而影响到整个电脑系统性能的发挥,芯片组是主板的灵魂。芯片组性能的优劣,决定了主板性能的好坏与级别的高低。
这是因为目前CPU的型号与种类繁多、功能特点不一,如果芯片组不能与CPU良好地协同工作,将严重地影响计算机的整体性能甚至不能正常工作。
芯片组的综合性能和稳定性在三者中最高,英特尔平台更是绝对的优势地位,英特尔自家的服务器芯片组产品占据着绝大多数中、低端市场,而Server Works由于获得了英特尔的授权,在中高端领域占有最大的市场份额。
甚至英特尔原厂服务器主板也有采用Server Works芯片组的产品,在服务器/工作站芯片组领域,Server Works芯片组就意味着高性能产品。
‘叁’ 制作计算机芯片的主要材料是
芯片是由金属连线和基于半导体材料的晶体管组成的。最先进晶体管和连线的宽度小于光的波长,最先进电子开关的尺寸小于生物病毒。
芯片采用光刻工艺制造。自1950年代末被发明以来,光刻工艺一直在不断发展。目前,芯片光刻工艺已经发展到使用紫外激光。
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在1960年代早期,宽度约与棉纤维相当的一个晶体管,按现在的美元计算价格约为8美元(约合人民币51元)。目前,指甲盖大小的芯片可以集成数十亿个晶体管,晶体管的价格已经下降到1美分(约合人民币6分钱)能买好多的水平。
计算机芯片的发展帮助硅谷给世界带来了令人吃惊的进步,其中包括PC、智能手机和互联网。但是,最近数年,根据摩尔定律预测的芯片发展速度放慢了。约10年前,芯片速度停止进一步提高,新一代芯片问世的时间延长,单个晶体管的成本不再下跌。
‘肆’ 当前计算机内存储器使用的是什么材料
晶圆
由于是晶体材料,其形状为圆形,所以称为晶圆。衬底材料有硅、锗、GaAs、InP、GaN等。由于硅最为常用,如果没有特别指明晶体材料,通常指硅晶圆。
在硅晶片上可加工制作成各种电路元件结构,而成为有特定电性功能的集成电路产品。晶圆的原始材料是硅,而地壳表面有用之不竭的二氧化硅。
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经常会看到有些以尺寸表示的晶圆厂,如12英寸晶圆厂,8英寸晶圆厂。12英寸指的是晶圆的直径,差不多相当于300mm,晶圆尺寸越大,制造难度越高,切割的出来的芯片也会更多。随着芯片尺寸越来越小,一块晶圆上可以切割出数千个芯片。
12英寸目前是市场的主流,将近七成的晶圆产能为12英寸,8英寸的产能逐渐减少。接下来就是包括光刻,制作晶体管,晶圆切割,测试,封装等一系列复杂工序,最后得到芯片成品。