• 走進(jìn)晶圓廠，深入了解芯片制造流程

  2022-04-16 22:30:34
  
  走進(jìn)晶圓廠，深入了解芯片制造流程
  
  
  有些晶體管的尺寸超過500 億個， 這些晶體管比人類頭發(fā)絲的寬度還小1 萬倍。它們是在巨大的超潔凈廠房地板上制作的， 可達(dá)七層樓高， 長度相當(dāng)于四個足球場。
  
  微芯片在許多方面都是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的命脈。它們?yōu)殡娔X、智能手機(jī)、汽車、電器和其他許多電子產(chǎn)品提供動力。但自疫情以來， 世界對它們的需求激增， 這也導(dǎo)致供應(yīng)鏈中斷， 導(dǎo)致全球短缺。
  
  這反過來又加劇了通貨膨脹， 并在美國引起了人們的警覺: 美國正變得過于依賴海外制造的芯片。美國僅占全球半導(dǎo)體制造產(chǎn)能的12 % 左右; 超過90 % 的最先進(jìn)的芯片來自臺灣。
  
  硅谷巨頭英特爾( Intel) 正試圖恢復(fù)其在芯片制造技術(shù)方面的長期領(lǐng)先地位， 該公司正押注200 億美元， 希望能幫助緩解芯片短缺的局面。該公司正在其位于亞利桑那州錢德勒的芯片制造中心建造兩家工廠， 這將需要三年時間才能完成。最近， 該公司宣布了可能更大規(guī)模的擴(kuò)張計劃， 將在俄亥俄州的新奧爾巴尼和德國的馬格德堡建立新工廠。

   

  
  為什么制造數(shù)以百萬計的這些微小部件意味著建造和花費如此之大? 看看位于俄勒岡州錢德勒和希爾斯伯勒的英特爾生產(chǎn)工廠， 就能找到一些答案。
   

  芯片有什么作用？

  
  芯片或集成電路在20 世紀(jì)50 年代末開始取代體積龐大的單個晶體管。許多這些微小的部件是在一塊硅上生產(chǎn)的， 并連接在一起工作。產(chǎn)生的芯片存儲數(shù)據(jù)、放大無線電信號和執(zhí)行其他操作; 英特爾以各種微處理器而聞名， 它們執(zhí)行計算機(jī)的大部分計算功能。
  
  英特爾公司已經(jīng)成功地將其微處理器上的晶體管縮小到令人難以置信的尺寸。但競爭對手臺積電可以生產(chǎn)更小的元件， 這是蘋果選擇臺積電為其最新款iphone制造芯片的一個關(guān)鍵原因。
   

  芯片是如何制造的

  
  
  
  成排排列的專用機(jī)器接收裝滿芯片的容器， 這些芯片被移入和移出這些系統(tǒng)進(jìn)行處理。

   

  
  
  其中一臺機(jī)器用于在制造芯片時從硅晶片上蝕刻材料。
  
  芯片制造商將越來越多的晶體管封裝到每一塊硅上， 這就是為什么技術(shù)每年都在增加。這也是為什么新的芯片工廠要花費數(shù)十億美元， 而很少有公司能負(fù)擔(dān)得起。
  
  除了建造廠房和購置機(jī)器外， 公司還必須花費巨資開發(fā)復(fù)雜的加工步驟， 用平板大小的硅片來制造芯片—— 這就是為什么這些工廠被稱為“ 晶圓廠”。
  
  巨大的機(jī)器在每個晶圓上設(shè)計芯片， 然后沉積和蝕刻材料層來制造晶體管并將它們連接起來。在這些系統(tǒng)中， 在自動高架軌道上的特殊吊艙中， 一次最多可運(yùn)送25 片晶圓。
  
  加工一塊晶圓需要數(shù)千個步驟， 長達(dá)兩個月。近年來， 臺積電已經(jīng)為產(chǎn)量設(shè)定了節(jié)奏， 運(yùn)營著擁有四條或四條以上生產(chǎn)線的“ 千兆工廠”( gigafabs)。市場研究公司Tech Insights的副董事長Dan Hutcheson估計， 每個工廠每月可以加工10 萬片以上的晶圓。他估計， 英特爾在亞利桑那州的兩家計劃投資100 億美元的工廠每個月的生產(chǎn)能力約為4 萬個晶圓。
   

  芯片如何封裝

   

  
  
  使用新技術(shù)堆疊芯片， 然后進(jìn)行封裝。
  
  
  單個芯片在包裝前存儲在磁帶和卷軸上。

   

  
  
  芯片將附著在封裝基板上。
  
  
  
  
  在封裝過程中， 小型“ 小芯片” 將直接鍵合到晶圓上。加工后， 晶圓被切成單獨的薄片。這些被測試和包裹在塑料包裝連接到電路板或系統(tǒng)的一部分。

   

  這一步已經(jīng)成為一個新的戰(zhàn)場， 因為要把晶體管做得更小更加困難。現(xiàn)在， 各家公司正在將多個芯片堆疊起來， 或者將它們并排放置在一個包裝中， 將它們連接起來， 就像一塊硅片一樣。
  
  如今， 將少量芯片封裝在一起已成為一種常規(guī)做法， 而英特爾( Intel) 已經(jīng)開發(fā)出一種先進(jìn)的產(chǎn)品， 利用新技術(shù)將47 個獨立芯片捆綁在一起， 其中包括一些由臺積電( TSMC) 和其他公司制造的芯片， 以及在英特爾工廠生產(chǎn)的芯片。
   

  是什么讓芯片工廠與眾不同

  
  
  
  
  英特爾員工在俄勒岡州希爾斯伯勒的英特爾園區(qū)潔凈室內(nèi)等待移動工具零件。

   

  
  
  工人在潔凈室內(nèi)安裝自動化物料搬運(yùn)系統(tǒng)。
  
  大型管道將氣體從英特爾希爾斯伯勒園區(qū)的處理機(jī)器中排出。
  
  英特爾芯片通常售價為數(shù)百至數(shù)千美元。例如， 英特爾今年3 月發(fā)布了其最快的臺式電腦微處理器， 起價為739 美元。一塊肉眼看不見的灰塵可以毀掉一個人。因此， 晶圓廠必須比醫(yī)院手

   

  術(shù)室更清潔， 需要復(fù)雜的系統(tǒng)來過濾空氣、調(diào)節(jié)溫度和濕度。
  
  晶圓廠還必須不受任何可能導(dǎo)致昂貴設(shè)備故障的振動的影響。因此， 完美的潔凈室建在巨大的混凝土板上， 安裝在特殊的減震器上。
  
  同樣重要的是移動大量液體和氣體的能力。英特爾的頂級工廠大約有70 英尺( 21 米) 高， 有巨大的風(fēng)扇幫助空氣循環(huán)到正下方的潔凈室。在潔凈室的下面是成千上萬的泵、變壓器、動力柜、公用事業(yè)管道和與生產(chǎn)設(shè)備連接的冷水機(jī)。
   

  對水的需求

  
  
  
  希爾斯伯勒的水處理廠。芯片制造每天需要數(shù)百萬加侖的水。

   

  
  
  英特爾希望與環(huán)保組織和其他組織合作， 到 2030 年增加亞利桑那州的供水。
  
  
  英特爾希爾斯伯勒工廠的一座塔從水中去除氣體。
  
  晶圓廠是水密集型業(yè)務(wù)。這是因為在生產(chǎn)過程的許多階段都需要水來清潔晶圓。

   

  英特爾公司在錢德勒的兩個站點每天從當(dāng)?shù)毓檬聵I(yè)單位共抽取約1100 萬加侖( 約4200 萬升) 的水。英特爾未來的擴(kuò)張將需要更多的資金， 這對于像亞利桑那州這樣飽受干旱困擾的州來說似乎是一個挑戰(zhàn)， 該州已經(jīng)削減了對農(nóng)民的用水分配。但農(nóng)業(yè)實際消耗的水比一個芯片廠多得多。
  
  英特爾表示， 它在錢德勒的站點依靠三條河流和一口井的供應(yīng)， 通過過濾系統(tǒng)、沉淀池和其他設(shè)備回收了約82 % 的淡水。這些水被送回該市， 該市運(yùn)營英特爾資助的處理設(shè)施， 并重新分配用于灌溉和其他非飲用水用途。
  
  英特爾希望通過與環(huán)保組織和其他組織合作， 在當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)節(jié)約和恢復(fù)水資源的項目上， 到
  2030 年促進(jìn)亞利桑那州和其他州的供水。
  
  
  
  起重機(jī)在錢德勒工地搬運(yùn)建筑材料。除其他外， 這些起重機(jī)將為新晶圓廠吊裝 55 噸冷水機(jī)。為了建造未來的工廠， 英特爾將在三年內(nèi)需要大約5000 名熟練的建筑工人。

  他們有很多事要做。英特爾建筑主管丹• 多倫( Dan Doron) 說， 挖掘地基預(yù)計將清除89 萬立方
  碼( 約合68 萬立方米) 的泥土， 這些泥土以每分鐘一輛自卸卡車的速度運(yùn)走。

   

  該公司預(yù)計將澆筑超過44 . 5 萬立方碼的混凝土， 并使用10 萬噸鋼筋作為地基， 這比建造世界最高建筑迪拜哈利法塔的鋼筋還要多。
  
  多倫說， 一些施工用的起重機(jī)非常大， 需要100 多輛卡車才能把零件組裝起來。這些起重機(jī)將為新晶圓廠吊起55 噸的冷卻器。
  
  一年前成為英特爾首席執(zhí)行官的帕特里克• 蓋爾辛格正在游說美國國會為芯片廠建設(shè)提供撥款， 并為設(shè)備投資提供稅收抵免。為了管理英特爾的支出風(fēng)險， 他計劃重點建設(shè)晶圓廠“ 外殼”， 這些外殼可以配備相應(yīng)的設(shè)備， 以應(yīng)對市場變化。
  
  為了解決芯片短缺的問題， 蓋爾辛格將不得不執(zhí)行他的計劃， 生產(chǎn)由其他公司設(shè)計的芯片。但一家公司能做的也就這么多了; 像手機(jī)和汽車這樣的產(chǎn)品需要來自許多供應(yīng)商的零部件， 以及舊芯片。在半導(dǎo)體領(lǐng)域， 也沒有哪個國家能夠獨善其身。盡管推動國內(nèi)制造業(yè)可以在一定程度上降低供應(yīng)風(fēng)險， 但芯片行業(yè)將繼續(xù)依賴一個復(fù)雜的全球企業(yè)網(wǎng)絡(luò)來提供原材料、生產(chǎn)設(shè)備、設(shè)計軟件、人才和專業(yè)制造。
  
  
  
  
   

  
   

0