你可能已經(jīng)被“華為、臺積電、光刻機、芯片”這些關鍵詞轟炸過,也多少聽過些臺積電的傳奇故事。本篇文章,我們不講故事,談談如何親手制造出一枚芯片。
所謂芯片,就是將可以實現(xiàn)運算或存儲等功能的電路,集成在一塊很小的硅片上。
它誕生的過程,分為設計、制造、封裝這三步。
我們熟悉的高通、華為海思和聯(lián)發(fā)科,其實都只是做芯片設計的公司。
首先要進行電路圖設計,我們明確好芯片的規(guī)格和功能后,先給出一張布滿“與門”、“非門”、“或門”等集成電路邏輯符號的邏輯設計圖,大概長這樣。
再根據(jù)邏輯圖設計電路元器件的布局,給出“電路圖”,大概長這樣。
如果完全看不懂這兩張圖,不用怕,我們精心挑選了高等教育出版社出版的《數(shù)字電子技術基礎》和《模擬電子技術基礎》兩本書,適合高中及以上學歷的朋友從零學起。
除了理論知識,芯片設計還需要軟件支持。就像作圖、畫圖紙需要PS、CAD等軟件一樣,邏輯圖和電路布局圖也并非是在紙上徒手作畫,而是需要使用EDA軟件。
如果要設計22nm以下制程工藝的芯片,就必須從三家總部在美國的公司購買正版軟件。
在EDA軟件上,最終會得到類似這樣的電路圖,然后將其制成一張光罩。
光罩的原理和作用類似于傳統(tǒng)照相機的底片,光線打過光罩后,我們就可以得到一層電路圖形。
由于一枚芯片是由幾十層電路層層堆疊而成三維結構,所以就需要用幾十層光罩一一對應。
比如一張7nm制程的處理器芯片,往往會需要80張以上的光罩。
拿到光罩后,我們開始自制芯片的第二步,制造。臺積電的生意,就集中在這一步。
簡化描述一下芯片的制造過程。
首先在硅片上覆蓋一層薄膜,涂上光刻膠;然后用強光透過寫有電路圖的光罩,打在光刻膠上;強光會破壞光刻膠的結構,但光罩上被遮擋的部分,光刻膠不會被破壞,光罩也就copy到了光刻膠上;
最后再沖蝕、溶解掉沒有被光刻膠覆蓋的薄膜以及剩下的光刻膠,晶圓上就只留下與電路圖圖形一模一樣的薄膜了。
利用設計好的多層光罩,不斷重復上述過程,最后,最初的硅片就可以變成這樣一張布滿幾十個芯片的IC晶圓。
在了解芯片制造復雜流程的同時,還有一個嚴峻的問題,就是如何獲得所需的高品質原材料和制造設備。
比如,制造環(huán)節(jié)最重要的光刻機去哪兒買?
目前高端光刻機市場幾乎被荷蘭ASML公司壟斷,他們2019年生產(chǎn)的26臺EUV光刻機,約有一半被臺積電買走,每臺約1.2億美元。
另外根據(jù)ASML的“客戶聯(lián)合投資專案”,他的客戶往往都是投資自己的股東,比如臺積電就在2012年以8.38億歐元獲得了ASML 5%的股權。
但各位青年實業(yè)家不用因此灰心,我們發(fā)現(xiàn),在某魚APP上,有人出售二手閑置ASML光刻機,包郵價格為1億人民幣。
等待光刻機的同時,其它難以在國內(nèi)采購的原材料和設備,只能親自出國走一趟了。
溫馨提示:以下內(nèi)容搭配該音樂食用,效果更佳:清晨的第一縷陽光剛剛撒到首都機場,我們已經(jīng)動身,精神飽滿地趕往日本和美國,此行的目的,是去采購制造芯片必須的幾樣原材料和設備。
這里是日本,我們要尋找的,是國產(chǎn)良品率不夠的硅片,以及技術還不夠成熟的光刻膠等原材料,這些,是日本人50年積累的工業(yè)精華,也是人類科技寶貴而又神秘的饋贈。
而在美國,我們的目的地是加州的“應用材料公司”(Applied Materials, Inc)這家低調(diào)而又神秘的美國公司,能生產(chǎn)除光刻機外幾乎所有的芯片制造設備。
我們希望能在這里找到國產(chǎn)率為0的化學機械拋光設備,以及國產(chǎn)率極低的沉積設備。
辛勞的汗水,果敢的決心,和早出晚歸的等待,我們終于買到了制造芯片的所有原材料。是時候啟動我們從閑魚上買來的光刻機,用機器散發(fā)的熱量,來溫暖一下自己久曠的心靈。
在制得的IC晶圓上有幾十張芯片,但看上去,和拆開手機后我們看到的芯片還不太一樣,因為還差最后一步:封裝。
如果你拆過手機或電腦,可能會對主板上這樣的小黑盒有印象,所謂封裝,就是將IC晶圓上剪下來的芯片裝進這個小黑盒的過程。
位于產(chǎn)業(yè)鏈末端的封裝,相對來說門檻和附加值較低,勞動密集度比較高。國內(nèi)有多家企業(yè)在深耕這一領域,占據(jù)了相當一部分市場份額。
至此,就講完了自制芯片的全部流程。但在各位親自動手發(fā)家致富之前,還要潑點冷水。
目力所及,我們見過自制芯片最成功的的,是一位UP主自制了一枚1cm工藝的芯片,作為對比,華為P40系列使用的麒麟990 5G,基于的則是7nm工藝。
可以說,最近30年的科技產(chǎn)業(yè)史,就是一部科技產(chǎn)業(yè)鏈分工合作不斷精細化的歷史。眼下,一個個人或是一家公司,想要包攬芯片全產(chǎn)業(yè)鏈,幾乎是件不可能完成的任務。
風云際會,浪潮洶涌,當中國科技產(chǎn)業(yè)慷慨應戰(zhàn),我們不能也不應該,將所有希望全部寄托在某一家公司身上,不管它叫華為,還是叫中芯國際。
原文標題:如何自制一枚芯片?
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