現代芯片制造技術及其發展趨勢分析

施睿

摘 要：在電子信息技術高速發展的今天，各種電子設備都離不開其核心部件——芯片，芯片又稱大規模集成電路，是在硅片上布置各種電子元器件而形成的片狀器件，有著計算、控制、存儲等多種功能。本文從芯片的概念講起，就芯片的制造流程和未來發展趨勢作了一定分析。

關鍵詞：芯片;集成電路;封裝

中圖分類號：TN40 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）02-0038-02

1 芯片概述

芯片又稱為大規模集成電路，是一切由半導體材料制成元器件的稱謂，通常用硅片作為基底，而在基底上則有功能不同的集成電路，集成電路元件包括連接線、電阻、電容、電感等器件。芯片的最小單位是晶元，多達數萬個晶元構成了精密的芯片。從宏觀的領域上看，芯片的內部可以不含電路等元器件，只要是半導體材料采用一系列精密加工而得來的有一定功能的元器件都可以稱為芯片，其是一種具有多重電路功能的片體結構。除了一般組成集成電路的元器件，芯片的內部一般還包含有其他元器件，包括但不限于晶體管、電子管、二極管、三極管等。[1]

芯片的特點十分鮮明，其有著體積小、元器件密度大、可靠性高、便于隨時更換等優勢，但是可維修度很低。基于自身的優勢，芯片的使用場景多種多樣，既可以單獨作為電子元件，也可以和其他元件配合組成各種電子設備，例如常用的計算機、手機、移動電腦和各種家用電器，在國民經濟和國防工業建設的各個領域發揮著重要的作用，同時也是衡量一個國家高科技技術實力的重要標準。[2]芯片的結構十分復雜，布線時可以達到10nm工藝（布線時相鄰兩根線的間距），所以其制造工藝也很復雜。

2 芯片的制造流程

芯片的固態器件制造可以劃分為四個不同的階段。它們分別是材料預備、晶體生長、晶圓制造和芯片封裝，下文將詳細描述各個過程，如圖1所示。

（1）材料準備。芯片的材料一般為基底的硅，硅來自自然環境中的石材，將石材經過加工提純而制成的高純度硅為母材，制造芯片的硅晶片具有多晶體的結構，強度較高，化學性質穩定，是良好的半導體材料。用于制作元器件的材料則要根據元器件性能的不同來選配，大多以銅、銀、鎳等材料為主。[3]

（2）晶體生長。這一階段主要是硅晶片上安放有特殊結構的電路晶體，晶體在高光、高溫條件下進行生長，此過程一般需要提供極為干燥和無污染的環境。待晶體生長完成后，用激光將晶體切割成一個一個的晶圓，最終通過表面處理，形成晶元制造的毛坯。

（3）晶圓制造。晶圓制造也稱為集成電路制造，此過程旨在在每個晶圓上制造集成電路部件，例如電阻、電容、電感、二極管、三極管等，一般一個晶圓上可以制造多達500個微型的電子元器件，最后，通過布線技術將各個元器件連接起來，構成完整的電路芯片。

（4）芯片封裝。芯片的元器件和電路都制造完畢后，還不能達到出廠的標準，必須通過最為關鍵的一步——封裝。芯片封裝是指將晶圓上的電路分割為若干個單元，然后將其密封起來。此過程主要是為了使各單元充分隔離，避免互相干擾和外部環境的污染。

3 芯片的發展趨勢

3.1 集成度加強

在芯片的內部布局著多達上萬個器件，這些器件通過高度的集成技術組合在一起，集成技術的不斷發揮可以有效降低芯片的大小，同時有利于在同樣的面積上安放更多的元器件，使芯片的性能可以不斷提高。世界著名的芯片制造企業——英特爾的CEO戈登在上世紀曾預計，芯片的集成程度每一年半就可以翻倍，這個預言后來被證實完全正確，這一理論也發展成后來的摩爾定律。芯片的集成度程度可以由小規模集成電路（SSI）到極大規模集成電路（ULSI）的范圍衡量，其詳細情況如表1所示。

3.2 特征尺寸不斷減小

在芯片技術范疇內，芯片的設計尺寸評判尺度是以內部零部件最小尺寸來計算的，此尺寸也叫作芯片的特征尺寸。在上世紀，芯片的工藝落后，不論是芯片元器件還是布線尺寸都很大，大約只能達到毫米級別，而在現在，這一數字已經達到微米甚至納米級別。光學雕刻技術和層級連線技術的不斷發展是芯片特征尺寸不斷減小的主要原因，而集成電路的尺寸不斷減小也是未來的發展趨勢。芯片特征尺寸的減小給芯片的各方面都帶來了極大的好處，首先，元器件尺寸的減小意味著可以節約更多的材料，使成本得以降低，另外，特征尺寸的減小直接減小了芯片的大小，這使得移動設備可以搭載更加輕薄的各類芯片。[4]

3.3 缺陷密度不斷減小

芯片的生產是一件及其精密的工作，而伴隨著元器件尺寸的不斷減小和制程工藝的不斷提高，但是卻要保證其可靠性不能有任何降低。缺陷密度是指芯片中元器件因為各種原因（損壞、短路、斷路）而使芯片無法正常工作的幾率，降低缺陷密度是保證芯片能夠正常工作的基本措施。在一個一平方厘米的芯片上如果有多許多灰塵，那么會導致此芯片工作混亂甚至失效，通過封裝等技術可以有效降低缺陷密度，但是如何保證零缺陷密度則芯片制造工藝的進一步研究。

3.4 布線越來越精密

芯片的內部連線是保證其結構和功能的關鍵技術，通過直徑極小的精密導線將芯片中各元件連接起來，使其能夠構成一個相互聯系的片上系統，在這些連線中既有單一的電源性，也有信號線（占絕大多數）。芯片之所以能夠實現在一個指甲蓋大小的面積上布局多達數萬個元器件，都歸功于其布線工藝的提高。但是連線的水平也有最小的限制，就像馬路的寬度也有最低的限度，不然車輛便無法通行。所以為了進一步提高元器件的密度，此時單層布線顯得不合時宜，科研工作者開始研究多層布線技術，也就是在原來的芯片的上部或下部再開發一個布線區域，這樣可以在不擴大面積的基礎上使元器件密度和性能成倍增加。[5]

3.5 成本降低

工藝和產品提高所帶來的最大影響就是芯片的成本，很有說服力的數據顯示，從本世紀初到現在，芯片的存儲容量從1G發展到16G，但是價格卻是原來的1/3，不管從什么層次都可以計算出其性價比提升了成百上千倍。縱觀芯片成本的發展史，可以總結出以下規律：首先在上世紀六七十年代，此時大規模集成電路才剛剛興起，微型電路的生產工藝很落后，并且還沒有實現自動化流水線生產，所以成本居高不下，芯片此時還未進入民用的市場;到上世紀八九十年代，自動化產線開始出現，使得芯片的成本逐漸降低，當成本達到消費者可以承受的程度時，搭載芯片的個人計算機進入到人們的視野中;到本世紀初，芯片的制造工藝和自動化突飛猛進，芯片工廠中大部分的工作都被自動化設備所取代，勞動力成本大大降低，芯片已經變成了價格親民的高科技器件。可以預見的是，未來的芯片可能會變成和主板一樣廉價的電子產品。

4 結語

在未來，半導體工業將會繼續飛速發展，并將到達硅晶體管基本物理上的極限。在芯片領域，其技術不僅會在精密度、性能、功耗上不斷進化，同時也將繼續吸收電子信息、集成電路、人工智能等領域的成果，和計算機的其他技術一起逐漸進步。對于芯片的基底，也就是材料方面，更多的新材料將會代替現有的硅用于芯片基底的制造，例如現在已經有量產的鎵/砷或復合材料為基底的芯片，該類芯片往往能夠在不犧牲性能的情況下在散熱性上比硅基底芯片更具優勢，現在已在部分手機和輕薄筆記本中得到實際應用。另外，人工智能的技術也將深刻地影響芯片的制造，對于現在大量的AI計算和并行計算，傳統芯片的運行模式顯得力不從心，AI芯片的概念應運而生，其是專指能夠運行人工智能程序的芯片，在運行AI程序的能力上遠遠超過普通芯片。可以預見的是，未來的芯片技術將繼續進化，最終幫助人類邁入更加智能的科技新時代。

參考文獻

[1] 劉超，傅仁利，顧席光，等.芯片級LED封裝光源結構散熱性能的數值模擬[J].激光與光電子學進展，2016（12）：234-243.

[2] 叢瑛瑛，陳絲.人工智能芯片發展態勢分析及對策建議[J].信息通信技術與政策，2018（8）：65-68.

[3] 石春琦.汽車電子芯片的市場規模與發展趨勢[J].集成電路應用，2016，33（9）：15-18.

[4] 陳鋼輝，李駿，張兆新.淺談硅芯片工藝的極限以及發展方向[J].集成電路應用，2016，33（12）：46-48.

[5] 馮洪亮，黃繼華，陳樹海，等.新一代功率芯片耐高溫封裝連接國內外發展評述[J].焊接學報，2016，37（1）：120-128.