走进晶圆厂，深入了解芯片制造流程

技术交流|Technology Exchange|

2022-04-14 15:10:05 0

有些晶体管的尺寸超过500亿个，这些晶体管比人类头发丝的宽度还小1万倍。它们是在巨大的超洁净厂房地板上制作的，可达七层楼高，长度相当于四个足球场。

微芯片在许多方面都是现代经济的命脉。它们为电脑、智能手机、汽车、电器和其他许多电子产品提供动力。但自疫情以来，*对它们的需求激增，这也导致供应链中断，导致全球短缺。

这反过来又加剧了通货膨胀，并在美国引起了人们的警觉:美国正变得过于依赖海外制造的芯片。美国仅占全球半导体制造产能的12%左右;超过90%的最先进的芯片来自台湾。

硅谷巨头英特尔(Intel)正试图恢复其在芯片制造技术方面的长期*地位，该公司正押注200亿美元，希望能帮助缓解芯片短缺的局面。该公司正在其位于亚利桑那州钱德勒的芯片制造中心建造两家工厂，这将需要三年时间才能完成。最近，该公司宣布了可能更大规模的扩张计划，将在俄亥俄州的新奥尔巴尼和德国的马格德堡建立新工厂。

为什么制造数以百万计的这些微小部件意味着建造和花费如此之大?看看位于俄勒冈州钱德勒和希尔斯伯勒的英特尔生产工厂，就能找到一些答案。

芯片有什么作用？

芯片或集成电路在20世纪50年代末开始取代体积庞大的单个晶体管。许多这些微小的部件是在一块硅上生产的，并连接在一起工作。产生的芯片存储数据、放大无线电信号和执行其他操作;英特尔以各种微处理器而闻名，它们执行计算机的大部分计算功能。

英特尔公司已经成功地将其微处理器上的晶体管缩小到令人难以置信的尺寸。但竞争对手台积电可以生产更小的元件，这是苹果选择台积电为其最新款iphone制造芯片的一个关键原因。

芯片是如何制造的

成排排列的专用机器接收装满芯片的容器，这些芯片被移入和移出这些系统进行处理。

其中一台机器用于在制造芯片时从硅晶片上蚀刻材料。

芯片制造商将越来越多的晶体管封装到每一块硅上，这就是为什么技术每年都在增加。这也是为什么新的芯片工厂要花费数十亿美元，而很少有公司能负担得起。

除了建造厂房和购置机器外，公司还必须花费巨资开发复杂的加工步骤，用平板大小的硅片来制造芯片——这就是为什么这些工厂被称为“晶圆厂”。

巨大的机器在每个晶圆上设计芯片，然后沉积和蚀刻材料层来制造晶体管并将它们连接起来。在这些系统中，在自动高架轨道上的特殊吊舱中，一次最多可运送25片晶圆。

加工一块晶圆需要数千个步骤，长达两个月。近年来，台积电已经为产量设定了节奏，运营着拥有四条或四条以上生产线的“千兆工厂”(gigafabs)。市场研究公司TechInsights的副董事长Dan Hutcheson估计，每个工厂每月可以加工10万片以上的晶圆。他估计，英特尔在亚利桑那州的两家计划投资100亿美元的工厂每个月的生产能力约为4万个晶圆。

芯片如何封装

使用新技术堆叠芯片，然后进行封装。

单个芯片在包装前存储在磁带和卷轴上。

芯片将附着在封装基板上。

在封装过程中，小型“小芯片”将直接键合到晶圆上。

加工后，晶圆被切成单独的薄片。这些被测试和包裹在塑料包装连接到电路板或系统的一部分。

这一步已经成为一个新的战场，因为要把晶体管做得更小更加困难。现在，各家公司正在将多个芯片堆叠起来，或者将它们并排放置在一个包装中，将它们连接起来，就像一块硅片一样。

如今，将少量芯片封装在一起已成为一种常规做法，而英特尔(Intel)已经开发出一种先进的产品，利用新技术将47个独立芯片捆绑在一起，其中包括一些由台积电(TSMC)和其他公司制造的芯片，以及在英特尔工厂生产的芯片。

是什么让芯片工厂与众不同

英特尔员工在俄勒冈州希尔斯伯勒的英特尔园区洁净室内等待移动工具零件。

工人在洁净室内安装自动化物料搬运系统。

大型管道将气体从英特尔希尔斯伯勒园区的处理机器中排出。

英特尔芯片通常售价为数百至数千美元。例如，英特尔今年3月发布了其最快的台式电脑微处理器，起价为739美元。一块肉眼看不见的灰尘可以毁掉一个人。因此，晶圆厂必须比医院手术室更清洁，需要复杂的系统来过滤空气、调节温度和湿度。

晶圆厂还必须不受任何可能导致昂贵设备故障的振动的影响。因此，*的洁净室建在巨大的混凝土板上，安装在特殊的减震器上。

同样重要的是移动大量液体和气体的能力。英特尔的*工厂大约有70英尺(21米)高，有巨大的风扇帮助空气循环到正下方的洁净室。在洁净室的下面是成千上万的泵、变压器、动力柜、公用事业管道和与生产设备连接的冷水机。

对水的需求

希尔斯伯勒的水处理厂。芯片制造每天需要数百万加仑的水。

英特尔希望与环保组织和其他组织合作，到 2030 年增加亚利桑那州的供水。

英特尔希尔斯伯勒工厂的一座塔从水中去除气体。

晶圆厂是水密集型业务。这是因为在生产过程的许多阶段都需要水来清洁晶圆。

英特尔公司在钱德勒的两个站点每天从当地公用事业单位共抽取约1100万加仑(约4200万升)的水。英特尔未来的扩张将需要更多的资金，这对于像亚利桑那州这样饱受干旱困扰的州来说似乎是一个挑战，该州已经削减了对农民的用水分配。但农业实际消耗的水比一个芯片厂多得多。

英特尔表示，它在钱德勒的站点依靠三条河流和一口井的供应，通过过滤系统、沉淀池和其他设备回收了约82%的淡水。这些水被送回该市，该市运营英特尔资助的处理设施，并重新分配用于灌溉和其他非饮用水用途。

英特尔希望通过与环保组织和其他组织合作，在当地社区节约和恢复水资源的项目上，到2030年促进亚利桑那州和其他州的供水。

如何建造晶圆厂

希尔斯伯勒的工人搬运建筑材料。

英特尔未来在钱德勒的工厂之一。为了建造其设施，英特尔将需要大约 5,000 名熟练的建筑工人，为期三年。

挖掘钱德勒的两个新工厂的地基预计将清除 890,000 立方码的泥土

Chandler 挖掘的泥土将以每分钟一辆自卸卡车的速度运走。

起重机在钱德勒工地搬运建筑材料。除其他外，这些起重机将为新晶圆厂吊装 55 吨冷水机。

为了建造未来的工厂，英特尔将在三年内需要大约5000名熟练的建筑工人。

他们有很多事要做。英特尔建筑主管丹?多伦(Dan Doron)说，挖掘地基预计将清除89万立方码(约合68万立方米)的泥土，这些泥土以每分钟一辆自卸卡车的速度运走。

该公司预计将浇筑超过44.5万立方码的混凝土，并使用10万吨钢筋作为地基，这比建造*最高建筑迪拜哈利法塔的钢筋还要多。

多伦说，一些施工用的起重机非常大，需要100多辆卡车才能把零件组装起来。这些起重机将为新晶圆厂吊起55吨的冷却器。

一年前成为英特尔首席执行官的帕特里克?盖尔辛格正在游说美国国会为芯片厂建设提供拨款，并为设备投资提供税收抵免。为了管理英特尔的支出风险，他计划重点建设晶圆厂“外壳”，这些外壳可以配备相应的设备，以应对市场变化。

为了解决芯片短缺的问题，盖尔辛格将不得不执行他的计划，生产由其他公司设计的芯片。但一家公司能做的也就这么多了;像手机和汽车这样的产品需要来自许多供应商的零部件，以及旧芯片。在半导体领域，也没有哪个*能够独善其身。尽管推动国内制造业可以在一定程度上降低供应风险，但芯片行业将继续依赖一个复杂的全球企业网络来提供原材料、生产设备、设计软件、人才和专业制造。

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