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1、从沙子到芯片微电子技术 20世纪最伟大的技术 信息产业最重要的技术 进步最快的技术微电子技术应用芯片，现代社会的基石 PDA：掌上电脑 内存条 手机计算机主板数码相机 电子产品 世界第一台通用电子计算机-ENIAC1946年2月14日 在美国宾夕法 尼亚大学的莫 尔电机学院诞 生(莫科里 )， 由18,800多个电 子管组成，重 量30多吨，占 地面积170多平 方米 。大小：长30.48m，宽6m，高2.5m；速度：5000次/sec；功率：150KW；平均无故障运行时间：7min 电子产品 智能手机 2012年2月14日 在美国苹果公 司发布IPHONE5 手机， CPU型号：苹果 A6
2、CPU频率： 1024MHz GPU型号： Imagination PowerVR SGX543 MP3 RAM容量：1GB ROM容量：16GB 。 手机尺寸：123.8x58.6x7.6mm 手机重量：112g微电子技术飞速进步自从IC诞生以来，IC芯片的发展基本上 遵循了公司创始人之一的Gordon E. Moore 1965年预言的摩尔定律。该定律说： 当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体 管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性 能也将提升一倍。换言之，每一美元所能 买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以 上。这一定律揭示了信息技术进步的速度 。 微电子技术飞速进步摩尔定律应用于汽车行
3、业1965年Silver Shadow 售价10000英镑？ 0.0000023英镑 =0.3分起源沙子沙子：硅是地壳内第 二丰富的元素， 而脱氧后的沙子( 尤其是石英)最多 包含25的硅元 素，以二氧化硅 (SiO2)的形式存在 ，这也是半导体 制造产业的基础 。硅提纯硅熔炼：12英寸/300 毫米晶圆级，下 同。通过多步净 化得到可用于半 导体制造质量的 硅，学名电子级 硅(EGS)，平均每 一百万个硅原子 中最多只有一个 杂质原子。此图 展示了是如何通 过硅净化熔炼得 到大晶体的，最 后得到的就是硅 锭(Ingot)。硅锭单晶硅锭：整体基本 呈圆柱形，重约 100千克，硅纯度 99.99
4、99。硅片硅锭切割：横向切割成圆形的 单个硅片，也就是我们常说 的晶圆(Wafer)。顺便说，这 下知道为什么晶圆都是圆形 的了吧？加工晶圆晶圆：切割出的晶圆经过 抛光后变得几乎完美无 瑕，表面甚至可以当镜 子。事实上，Intel自己 并不生产这种晶圆，而 是从第三方半导体企业 那里直接购买成品，然 后利用自己的生产线进 一步加工，比如现在主 流的45nm HKMG(高K 金属栅极)。值得一提的 是，Intel公司创立之初 使用的晶圆尺寸只有2英 寸/50毫米。涂胶光刻胶(Photo Resist)：图 中蓝色部分就是在晶圆 旋转过程中浇上去的光 刻胶液体，类似制作传 统胶片的那种。晶圆旋 转
5、可以让光刻胶铺的非 常薄、非常平。光刻光刻：光刻胶层随后透过 掩模(Mask)被曝光在紫 外线(UV)之下，变得可 溶，期间发生的化学反 应类似按下机械相机快 门那一刻胶片的变化。 掩模上印着预先设计好 的电路图案，紫外线透 过它照在光刻胶层上， 就会形成微处理器的每 一层电路图案。一般来 说，在晶圆上得到的电 路图案是掩模上图案的 四分之一。光刻光刻：由此进入50-200纳 米尺寸的晶体管级别。 一块晶圆上可以切割出 数百个处理器，不过从 这里开始把视野缩小到 其中一个上，展示如何 制作晶体管等部件。晶 体管相当于开关，控制 着电流的方向。现在的 晶体管已经如此之小， 一个针头上就能放下大
6、约3000万个。光刻光刻胶：再次浇上光刻胶( 蓝色部分)，然后光刻， 并洗掉曝光的部分，剩 下的光刻胶还是用来保 护不会离子注入的那部 分材料。离子注入离子注入(Ion Implantation)：在真空 系统中，用经过加速的 、要掺杂的原子的离子 照射(注入)固体材料， 从而在被注入的区域形 成特殊的注入层，并改 变这些区域的硅的导电 性。经过电场加速后， 注入的离子流的速度可 以超过30万千米每小时 。清除光刻胶清除光刻胶：离子注入完 成后，光刻胶也被清除 ，而注入区域(绿色部分 )也已掺杂，注入了不同 的原子。注意这时候的 绿色和之前已经有所不 同。晶体管就绪晶体管就绪：至此，晶体 管已
7、经基本完成。在绝 缘材(品红色)上蚀刻出 三个孔洞，并填充铜， 以便和其它晶体管互连 。电镀电镀：在晶圆上电镀一层 硫酸铜，将铜离子沉淀 到晶体管上。铜离子会 从正极(阳极)走向负极( 阴极)。电镀铜层：电镀完成后，铜离 子沉积在晶圆表面，形 成一个薄薄的铜层。抛光抛光：将多余的铜抛光掉 ，也就是磨光晶圆表面 。金属层金属层：晶体管级别，六个晶体管的组合，大约500纳米 。在不同晶体管之间形成复合互连金属层，具体布局取 决于相应处理器所需要的不同功能性。芯片表面看起来 异常平滑，但事实上可能包含20多层复杂的电路，放大 之后可以看到极其复杂的电路网络，形如未来派的多层 高速公路系统。晶圆测试晶
8、圆测试：内核级 别，大约10毫米 /0.5英寸。图中是 晶圆的局部，正 在接受第一次功 能性测试，使用 参考电路图案和 每一块芯片进行 对比。晶圆分割晶圆切片(Slicing) ：晶圆级别，300 毫米/12英寸。将 晶圆切割成块， 每一块就是一个 处理器的内核 (Die)。分选丢弃瑕疵内核：晶 圆级别。测试过 程中发现的有瑕 疵的内核被抛弃 ，留下完好的准 备进入下一步。内核单个内核：内核级 别。从晶圆上切 割下来的单个内 核，这里展示的 是Core i7的核心 。封装封装：封装级别，20毫米 /1英寸。衬底(基片)、内 核、散热片堆叠在一起 ，就形成了我们看到的 处理器的样子。衬底(绿 色
9、)相当于一个底座，并 为处理器内核提供电气 与机械界面，便于与PC 系统的其它部分交互。 散热片(银色)就是负责 内核散热的了。成品处理器：至此就得到完整 的处理器了(这里是一颗 Core i7)。这种在世界上 最干净的房间里制造出 来的最复杂的产品实际 上是经过数百个步骤得 来的，这里只是展示了 其中的一些关键步骤。包装等级测试：最后一次测试，可以鉴别出每一颗处理器的关键特 性，比如最高频率、功耗、发热量等，并决定处理器的等 级，比如适合做成最高端的Core i7-975 Extreme，还是低 端型号Core i7-920。 装箱：根据等级测试结果将同样级别的处理器放在一起装运。 零售包装
10、：制造、测试完毕的处理器要么批量交付给OEM厂商 ，要么放在包装盒里进入零售市场。这里还是以Core i7为 例。利用MEMS技术可以生产各种复杂的3-D结构发展趋势 微循环陀螺仪陀 螺电路设计 芯片里面是什 么呢？什么是集成电路？ IC Integrated Circuit 半导体器件 半导体材料-硅、 锗等 衬底+掺杂能不能把这些半导体器件组成的电路做在一起？-集成电路 IC 集成电路就是指 采用半导体工艺 ，将一个电路中 所需要的晶体管 、二极管、电阻 、电容等元器件 连同它们之间的 电气连线在一块 半导体晶片上制 作出来集成电路的发展 摩尔定律 最典型的IC- -CPUIC设计公司将芯
11、片电路结构设计好 IC制造公司负责制造集成电路芯片显微照片集成电路芯片键合vIntel 公司CPUPentium 4电路规模：4千2百万个晶体管生产工艺：0.13um最快速度：2.4GHzVLSI数字IC的设计流图 模拟IC的设计流程图 门阵列法设计流程图 电子设计自动化电子设计自动化随着IC集成度的不断提高，IC规模越来越大、复杂度越来越高，采用CAD辅助设计是必然趋势 。 第一代IC设计CAD工具出现于20世纪60年代末70年代初，但只能用于芯片的版图设计及版图设计规则的检查。 第二代CAD系统随着工作站(Workstation)的推出，出现于80年代。其不仅具有图形处理能力，而且还具有原
12、理图输入和模拟能力 。 如今CAD工具已进入了第三代，称之为EDA系统。其主要标志是系统级设计工具的推出和逻辑设计工具的广泛应用。 工作站平台上的主流EDA软件Cadence EDA软件 数字系统模拟工具Verilog-XL； 电路图设计工具Composer； 电路模拟工具Analog Artist； 射频模拟工具Spectre RF； 版图编辑器Virtuoso Layout； 布局布线工具Preview； 版图验证工具Dracula等 工作站平台上的主流EDA软件Cadence EDA软件 数字系统模拟工具Verilog-XL； 电路图设计工具Composer； 电路模拟工具Analog Artist； 射频模拟工具Spectre RF； 版图编辑器Virtuoso Layout； 布局布线工具Preview； 版图验证工具Dracula等 电路设计EDA软件仿真验证EDA仿真
