这个制造过程中间涉及沉积、腐蚀、清洗等多个工艺步骤技术难度都不小,特别是离子注入,这个步骤是改变硅片的导电性质,形成晶体管等电子元件的关键步骤,这一过程需要精确控制各种化学物质的浓度和温度,以确保芯片的性能和稳定性。
涉及的工艺设计和实现是芯片制造过程中最难的步骤,没有之一。
而早期的生产设备没有那么完善,所以主世界60年代的芯片生产,更多是要靠人工手搓!
当初的手搓芯片并不是开玩笑,那些初代芯片工程师们,首先在方格纸上,用彩色铅笔绘制好集成电路版图,再用精细的刀片,在光掩模母版(rubylithmask)上,徒手把晶体管和电路连接,一点点刻出来,最后把模板图形,用相机缩小50-100倍,才能获得一张用来做光刻的光掩模,而和这种手工掩膜相匹配的原始光刻机,就是接触式光刻机,所以第一代光刻机只是一个人工手搓芯片的辅助工具。
更多的是靠工程师的技术水平。
这种接触式光刻机只会简单粗暴地把光掩膜盖在硅片上,掩膜与光刻胶涂层直接接触,再打光照射,完成曝光,然而这种光照方式的失败率和成本都很高,因为胶体本身及其黏附的浮尘微粒,不仅影响光刻效果,还会对光掩膜造成污染和破环,并且伤害效果会随着光刻次数累积,这不仅使每次光刻的良率低下,往往刻10枚芯片,只有1枚能用,同时也严重损耗光掩膜的寿命,导致一张掩膜,最多只能用个十几次,这样一来,制造芯片的成本非常高。
早期芯片低质高价就是这样出现的。
不过这种方式在最初是解决了有无的问题,有了这样的技术,才能把功能更加强大的芯片制作出来。
要解决这个问题理论上也不难,直观来说,把光掩膜抬起来一点,不让它与光刻胶接触就行。
早期工程师们也是这么想的。于是他们在接触式光刻机的基础上,加了一个水平和垂直方向上可移动的平台,以及一个用来测量光掩膜和硅片间距与套刻(overlay)的显微镜,让光刻时两者尽量靠近,但又不直接接触,这就是渐进式光刻机。它避免了光刻胶玷污光掩膜,但却带来一个新的问题:那就是由于光的衍射效应,光刻机的精度下降了。
宏观上我们认为,光是沿直线传播的,但微观上并不是这样,光具有波动性,在通过小孔窄缝或遇到细微障碍物时,会产生衍射,或者叫绕射,偏离原本的直线传播,照到不应该照到的地方,光源波长,相比窄缝越大,衍射现象越严重,这就像你举着刀,想在硅片上劈一条100纳米宽的口子,结果发现刀刃就有400纳米宽,只能用来劈瓜。
在渐进式光刻中,光刻精度除了受限于波长之外,还取决于光掩膜到硅片之间的距离,间距越大,硅片上的投影与掩膜上图形的误差就越大。把光掩膜举起来,光刻精度就不够;把光掩膜放下去,光刻成本又太高,这个徘徊于接触和渐进式光刻机的时期,就是半导体史上的遮蔽式光刻年代。而这两种古早的光刻机,统称为maskaligner,它们所使用的1:1光掩膜,就是一个遮光板,光刻机只用把光影照在硅片上,构造简单,不需要任何复杂的光学系统。
接触式光刻机
这种接触式光刻机,虽然说也可以用来生产出芯片,早期的sram存储芯片,以及古早时期第一枚商用cpu,都是用这种设备来生产的,但在当时却没有什么人能买得起,原因就在于接触式光刻的生产良率太低,对光掩膜的损耗太大,导致芯片价格过于昂贵,只能用于科研和军工这种不计成本的场景。
显然,如果光刻技术只是这样,那芯片的普及就是一句空话,所以it行业的科学家们没有停止脚步。
他们希望能做出一种精度高,又不用把光掩膜压在光刻胶上的光刻机。
这就是现代光刻技术真正的起点,到了这一步,光刻机正式从接触渐进式,踏入了投影式时代,实现了现代光刻机初号机的构造。
新的改变并不复杂,主世界新一代光刻机micralign采用反射型的投影方式,利用两片同轴的球面反射镜,把光掩膜上的图形,经过三次反射,投射在硅片上,这种对称的光路设计,可以消除球面镜产生的大部分像差,让光刻图形达到理想的分辨率,
这样,通过最新型号投影式光刻机micralign的诞生,让芯片生产的良率从接触式光刻的约10%,一夜之间翻了7倍,飙到了70%,这一次光刻技术的飞跃,导致了芯片价格的暴跌,主世界历史上曾经摩托罗拉有一款叫6800微处理器,采用接触式光刻机来生产,每颗芯片的单价295美金;
而第二年8名工程师从摩托罗拉跑路到了mos科技,他们拿着6800的设计电路图简单改吧改吧,直接用刚刚诞生的投影式光刻机做出的一款同6800高度相似的mos6502。生产出来同架构的芯片不但性能更强,而且价格一下子降低了很多,只卖白菜价25美金!
一下子把价格打下来了90%以上,价格堪称打骨折!
技术的进步威力可见一斑。
这个过程,任重拿出来让电子技术研究中心的研发工程师从头到尾都走一遍,同主世界不同的是,这一切都是有路径可行,所以极大缩减了整个工艺流程成熟的时间,将第一代光刻机更快拿出来。
至于封装和测试,这是芯片制造的最后一步,算是其中技术难度较低的一步,主要是要将芯片连接到外部引脚,并封装在保护性的外壳中,以便与其他电子设备连接和安装。
芯片测试由于比较复杂,所以单独变成了一个独立的阶段,这个阶段主要是对芯片进行功能、性能和可靠性等方面的全面检测,确保其符合设计要求。
在早期是同芯片生产交织在一起,后期则变成了一个独立的步骤,从而将芯片制造的专业性分工变得更细,效率更高。
但是在亮剑世界发展芯片初期阶段自然不能分离出去,而是将封装测试的工艺设备进行研究完善后,专门成立封装车间和测试车间来做芯片制造的最后一个环节。
经过几年的发展,这些步骤的工艺设计和设备终于配齐了。
而生产的第一款真正的cpu就是任重从主世界“拿来主义”的8080!(本章完)