芯片到底是怎么做出来的?

一个小小的芯片有20亿个晶体管结构,内部就像一个放大的超级城市,复杂程度难以想象。这么精致的结构设计是怎么做出来的?

芯片制造最基本的材料竟然是沙子,这是常见的。它的主要成分是二氧化硅。在极高温度下的还原反应,从氧化物中提取出高纯度的硅晶体,然后制成硅锭,再将硅锭切割成薄如蝉翼的圆形圆片,称为硅片。

首先要对硅片进行光刻,然后在上面涂上一层特殊的胶,再把设计好的有几十亿个电路元件的芯片图纸做成掩膜版。所谓掩膜版,就是一种特殊的投影成像底片,包括芯片设计之初的图纸,会印在下面的硅片上。芯片越强大,越需要在更小的芯片上放置更多的电子元件,这也要求更高的投影分辨率。这就像用一支更小的笔来完成这项任务,以便描绘更精确的图画。投影光源的波长越短,投影出来的画面精细度越高,这就要求光刻机中光源的波长越短。从紫外到深紫外,再到极紫外,只有最先进的极紫外光刻机才能生产出7 nm和5 nm的芯片。

用极紫外光将芯片的设计图投射到硅片的光刻胶模具上,此时会发生光化学反应,光照射到的地方,它很容易溶解在水中,然后经过显影清洗,形成光刻电路纹理,用特殊的化学溶液蚀刻,得到各种纵横交错的电路沟槽, 然后将相应的杂质粒子注入其中,高温扩散,直到电导率达到设计要求,然后重复前面的一系列过程几十次。

芯片制造的全过程需要很多精细的光学技术、材料技术、精密加工技术,任何一项都不可或缺。高精度的掩模对准器是整个芯片生产过程中最重要的东西。目前世界上最先进的极紫外光刻机是由荷兰阿斯麦公司制造的。超大功率激光器发射的脉冲激光可以产生极端波长的紫外线。当脉冲激光击中微小的液态锡时,可以瞬间将其变成高温等离子体,激发出光刻机所需的极远紫外线,然后通过一系列反射镜送到光刻机中的投影镜头,对硅片进行光刻。

光刻机,重达200吨,是目前世界上最精密的机器之一,单机价格高达654.38美元+0.5亿。国内某公司曾经向荷兰阿斯麦公司订购了一台极紫外光刻机,但至今没有交付成功,其中包括需要美国授权的专利技术,光刻机中的激光光源系统就是其中之一。

芯片制造是资金密集型和技术高度密集型产业,研发周期长。我们还需要在这条路上不断探索,但总有一天会成功的。华为总裁任郑飞曾表示:“我们的芯片至少需要50年才能赶上苹果。”面对日新月异的科技发展和技术封锁,我们无所畏惧,锐意进取!