芯片原來(lái)是這樣制造出來(lái)的，你造嗎？
據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，如果你希望寫(xiě)一封電子郵件，給網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)建索引，以每秒60幀的頻率呈現(xiàn)爆炸畫(huà)面，你必須首先制造一臺(tái)電腦。而要制造電腦，你首先得設(shè)計(jì)和制造微型處理器，快速處理完成上述每個(gè)數(shù)字動(dòng)作的數(shù)百萬(wàn)個(gè)不同的計(jì)算步驟，進(jìn)而采取運(yùn)算速度達(dá)每秒30億次左右的新步驟。
要做到這一點(diǎn)，你可能需要美國(guó)應(yīng)用材料公司（AppliedMaterial）生產(chǎn)的芯片制造工具。美國(guó)應(yīng)用材料公司是世界上向半導(dǎo)體行業(yè)出售這種設(shè)備的主要廠(chǎng)商之一。應(yīng)用材料公司的機(jī)器設(shè)備會(huì)令硅芯片（如英特爾硅芯片）遭受超強(qiáng)真空處理、「化學(xué)浴」浸泡、高能等離子體加工、紫外光照射等一系列步驟，同時(shí)還要使硅芯片經(jīng)過(guò)數(shù)百個(gè)制造階段，從而將它們變成CPU、存儲(chǔ)器片、圖形處理器等。
由于上述步驟不利于人體健康，所以，部分操作步驟必須在密封的真空室內(nèi)進(jìn)行，需要機(jī)械臂將硅芯片從一個(gè)處理站移到另一個(gè)處理站。而機(jī)器本身放置在無(wú)塵室內(nèi)。無(wú)塵室的純凈氣體和身穿防護(hù)服的技術(shù)人員可以降低空氣受污染的幾率：頭發(fā)上掉下的一個(gè)塵粒便能毀壞售價(jià)500美元的CPU，所以，公司渴望將發(fā)生這種事件的幾率降至最低。
《連線(xiàn)》雜志記者日前造訪(fǎng)了美國(guó)應(yīng)用材料公司的梅坦技術(shù)中心（Maydan Technology
Center）。梅坦技術(shù)中心是位于加州圣克拉拉市的技術(shù)一流的無(wú)塵室，應(yīng)用材料公司在那里開(kāi)發(fā)和測(cè)試設(shè)備。整個(gè)技術(shù)中心的超凈工作區(qū)占地面積3.9萬(wàn)平方英尺，相當(dāng)于81個(gè)橄欖球場(chǎng)，分成三個(gè)大型「舞廳」，每個(gè)都堆滿(mǎn)了應(yīng)用材料公司價(jià)值數(shù)百萬(wàn)美元的設(shè)備以及軟管、零部件、腐蝕性化學(xué)物箱子、工具箱和一堆堆的硅芯片。
1.應(yīng)用材料公司無(wú)塵室
在進(jìn)入梅坦技術(shù)中心以前，你必須穿上防護(hù)服，戴上面具、護(hù)目鏡、兩幅手套以及將鞋完全套住的塑膠袋。記者甚至不能將筆記本帶入內(nèi)：相反，應(yīng)用材料公司給了他們幾個(gè)用收縮膜包裝的、在無(wú)塵室經(jīng)過(guò)特殊消毒處理的筆記本和鋼筆使用。
這里不是生產(chǎn)車(chē)間，相反，這個(gè)無(wú)塵室只是模擬了晶圓廠(chǎng)的環(huán)境，應(yīng)用材料公司的設(shè)備將在這種環(huán)境下使用，以便公司及其客戶(hù)可以測(cè)試新技術(shù)和新工藝，然后真正將它們推向生產(chǎn)線(xiàn)。所以，此次采訪(fǎng)讓《連線(xiàn)》記者對(duì)尖端半導(dǎo)體制造行業(yè)的生產(chǎn)規(guī)程有了難得的了解。
2.玻璃光掩膜
芯片制造的核心技術(shù)是平版印刷（光刻），這種技術(shù)就像是絲網(wǎng)印刷，只不過(guò)不是通過(guò)絲制模板將墨滾壓至棉T恤上，而是通過(guò)玻璃光掩膜，使紫外光照射表面涂有光刻膠（一種有機(jī)化合物）的硅襯底上。在紫外光照射穿透的地方，光刻膠的化學(xué)特性會(huì)被削弱，使硅芯片表面留下圖案。接著，硅芯片會(huì)被送入一個(gè)「化學(xué)浴室」，在暴露在外的硅襯底上蝕刻溝槽，同時(shí)光刻膠覆蓋的區(qū)域不會(huì)受到任何影響。在去除了光刻膠以后，其他設(shè)備會(huì)用各種材料填補(bǔ)溝槽，比如用于制造處理器零部件的銅或鋁。此圖顯示的就是光掩膜，上面印有將打印到硅芯片上的圖案。
3.技術(shù)一流的機(jī)器設(shè)備
隨著硅芯片被送進(jìn)制造車(chē)間，它將經(jīng)過(guò)多達(dá)250個(gè)不同步驟的處理。這些步驟包括給各種材料覆上一層薄膜，接著蝕刻以制成晶體管和銅線(xiàn)。右圖是應(yīng)用材料公司的Endura機(jī)器。Endura平臺(tái)是一個(gè)模塊化、可配置系統(tǒng)，用于將金屬和金屬合金安裝到硅芯片。據(jù)應(yīng)用材料公司的專(zhuān)家介紹，過(guò)去20年制造的幾乎所有芯片都用到了Endura平臺(tái)。
左圖則是應(yīng)用材料公司TetraIII先進(jìn)掩膜刻蝕系統(tǒng)。世界各地所有的掩膜制造商都利用這套系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)直徑為45納米的掩膜。由于應(yīng)用材料公司正在開(kāi)發(fā)和測(cè)試新制造設(shè)備，該公司將大量資金投入到科研領(lǐng)域。2009年，應(yīng)用材料公司在研發(fā)方面的投入高達(dá)9.34億美元，相當(dāng)于年?duì)I收的20%左右。
4.平板印刷室一瞥
根據(jù)現(xiàn)階段的技術(shù)發(fā)展水平制造的芯片直徑是30納米，也就是說(shuō)，芯片零部件的平均尺寸大概是300億分之一米。芯片制造商目前正在開(kāi)發(fā)直徑22納米的芯片設(shè)計(jì)，這會(huì)使得芯片零部件的尺寸更小。有些零部件的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)寬度，有時(shí)，這一比例達(dá)到60比1，進(jìn)一步增加了芯片制造的難度。因?yàn)檫@意味著蝕刻系統(tǒng)必須能以納米刻度，以超高精度在芯片上刻下極深、極窄的溝槽。平板印刷室里面點(diǎn)著黃色的燈，避免光掩膜與紫外線(xiàn)相互干擾。
5.極端真空狀態(tài)
技術(shù)人員在Endura系統(tǒng)的觸摸屏界面上工作。圖左是大型銀泵，用于在機(jī)器內(nèi)產(chǎn)生極端真空狀態(tài)——低至10-12個(gè)大氣。相比之下，距地面124英里（約合200公里）的高空（航天飛機(jī)飛行軌道所在位置）的氣壓為10-10個(gè)大氣。
6.「此處無(wú)金屬」
Centura機(jī)器右側(cè)的銀色金屬設(shè)備是一個(gè)斗式裝載機(jī)（batch loader），用于快速給一疊硅芯片降壓，然后將它們輸送至Centura機(jī)器中加工。綠色「無(wú)金屬工具」標(biāo)識(shí)意味著，這臺(tái)機(jī)器被用在增加銅線(xiàn)路以前的一個(gè)過(guò)程。銅是一種污染物，會(huì)將加工過(guò)程的非金屬階段搞砸，所以，添加銅的機(jī)器需要進(jìn)行小心隔離。
7.前置式晶圓傳送盒
過(guò)去幾十年，用于制造芯片的硅芯片在尺寸上穩(wěn)步增加，使得制造商可以在每張盤(pán)上集成更多的芯片。從2000年開(kāi)始，硅芯片直徑的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一直為300毫米。為簡(jiǎn)化傳送過(guò)程，將污染的風(fēng)險(xiǎn)降至最低程度，晶圓廠(chǎng)會(huì)充分利用前置式晶圓傳送盒（簡(jiǎn)稱(chēng)FOUP）。每個(gè)前置式晶圓傳送盒可以在無(wú)菌的清潔環(huán)境下放置25個(gè)硅芯片。它們能夠被放在應(yīng)用材料公司大多數(shù)機(jī)器的前端。接著，機(jī)器吸入里面的硅芯片，一個(gè)個(gè)地自動(dòng)快速加工。
8.高度自動(dòng)化
因?yàn)榉艥M(mǎn)硅芯片的前置式晶圓傳送盒很重，大約為20磅（約合9公斤），自動(dòng)化就成了無(wú)塵室設(shè)計(jì)的重要部分。應(yīng)用材料公司的無(wú)塵室有一條自動(dòng)化懸掛單軌，可將前置式晶圓傳送盒從一處輸送至另一處。在照片中顯示的密封房間內(nèi)，最多可以放置700個(gè)前置式晶圓傳送盒（可裝1.75萬(wàn)個(gè)硅芯片）。機(jī)械臂將它們從兩側(cè)移進(jìn)移出，放置在貫穿于整個(gè)無(wú)塵室的懸掛單軌（這張照片上沒(méi)顯示）。
另外2800個(gè)前置式晶圓傳送盒可以存放于主無(wú)塵室下面的一層?，F(xiàn)代無(wú)塵室中的每一臺(tái)機(jī)器都圍繞300毫米的硅芯片設(shè)計(jì)和制造。新一代芯片將采用450毫米的硅芯片制造，從而實(shí)現(xiàn)更大的規(guī)模效益。但是，要與450毫米的硅芯片兼容使用，整個(gè)行業(yè)必須更換每一個(gè)設(shè)備零部件，所以，許多公司不愿作出這種調(diào)整也可以理解。一旦實(shí)現(xiàn)了這種過(guò)渡，這會(huì)是應(yīng)用材料公司、英特爾、AMD等企業(yè)之間長(zhǎng)期談判的最終結(jié)果。
9.零部件精確制造
雖然電腦芯片僅相當(dāng)于手指甲大小，但卻由數(shù)億個(gè)晶體管構(gòu)成，而用于將這些晶體管連接于機(jī)器、再將機(jī)器與主板和剩余世界連接的配線(xiàn)更是像迷宮一般。芯片全部是用直徑大約1英尺（約合30厘米）的圓形硅芯片制造，每個(gè)可以包含200個(gè)獨(dú)立、但外形相同的處理器。由于偶爾會(huì)發(fā)生污染事件，雖然無(wú)塵室極為干凈，制造商仍必須測(cè)試那些處理器的每一個(gè)零部件，以確保5億個(gè)零部件（每個(gè)直徑僅30至45納米左右）在制造過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)任何瑕疵。所以，這類(lèi)機(jī)器的成本高達(dá)數(shù)千億美元，也就不足為奇了。一個(gè)可容納數(shù)百臺(tái)此類(lèi)機(jī)器的成熟晶圓廠(chǎng)，建造成本達(dá)數(shù)十億美元。2009年，全球半導(dǎo)體銷(xiāo)量總額達(dá)2263億美元，像英特爾這樣的公司是世界上最賺錢(qián)的企業(yè)之一。
10.技術(shù)人員休息時(shí)間
身穿防護(hù)服的工程師和技術(shù)人員在無(wú)塵室內(nèi)工作，他們負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和監(jiān)督機(jī)器內(nèi)發(fā)生的過(guò)程。不過(guò)，一旦某個(gè)操作過(guò)程啟動(dòng)，它很大程度上屬于自動(dòng)化，工程師和技術(shù)人員此時(shí)就可以稍微輕松一下。穿上或脫下這種多層防護(hù)服，每次大概需要10分鐘時(shí)間。雖然有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員可以在幾分鐘內(nèi)完成這一步，問(wèn)題是你在無(wú)塵室一般只能呆上很短時(shí)間，所以說(shuō)這個(gè)過(guò)程足夠的繁瑣。所以，技術(shù)人員在機(jī)器運(yùn)行時(shí)通常不會(huì)走出無(wú)塵室，而是使用房間內(nèi)的筆電處理其他事務(wù)。比如，分析數(shù)據(jù)，寫(xiě)報(bào)告，查看郵件。當(dāng)他們做這些事情的時(shí)候，其實(shí)正用到在這樣的無(wú)塵室內(nèi)制造的芯片。
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