קוטר שיער האדם הוא 70,000 ננומטר והיקפו הוא 220,000 ננומטר. ייצור שבבים בתהליך של 5 ננומטר הוא כמו בניית 44,000 כבישים לאורך שיערה.

מחבר: Liu Zhirong מקור: Headline@Iron Tower-Liu Zhirong

ב-15 במאי 2020, ארצות הברית הוציאה איסור על השבבים של חברת וואווי. מאז, השבבים משכו תשומת לב רבה מצד העם הסיני. האיסור נכנס לתוקף ב-15 בספטמבר. יצרניות שבבים בעלות שם עולמי כמו TSMC, MediaTek, Qualcomm, Sony, Samsung, SK Hynix ו-Micron אינן יכולות עוד לספק שבבים לוואווי. ב-16 בספטמבר, פרסמה הוועדה המרכזית לפיקוח משמעתי מאמר באתר הרשמי שלה לפיו "ניתוק אספקת השבבים של וואווי עשוי להיות תחילתה של הנירוונה של תעשיית השבבים הסינית".

אנחנו מדברים על צ'יפס כל יום, אבל אתם יודעים מה זה צ'יפס?

1. כיצד שינתה המצאת השבב את חיי האדם??

ב-23 בדצמבר 1947, שלושה מדענים ממעבדות בל בארצות הברית, ג'ון באדן, ויליאם שוקלי וולטר ברטון, המציאו את טרנזיסטור גביש הגרמניום, והכניסו את עולם האלקטרוניקה לעידן המוליכים למחצה. שלושת ממציאי הטרנזיסטור זכו בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1956.

שנות ה-1950 היו תור הזהב של מוליכים למחצה. כמעט כל חומרי המוליכים למחצה והתהליכים הבסיסיים פותחו בתקופה זו.

ב-18 באוקטובר 1954, המציאה חברת טקסס אינסטרומנטס את רדיו הטרנזיסטור. רדיו זה, בעל ארבעה טרנזיסטורים, היה קטן מספיק כדי להיכנס לכיס.

ב-12 בספטמבר 1958, מהנדס האלקטרוניקה של טקסס אינסטרומנטס, ג'ק קילבי (1923-2005), המציא את המעגל המשולב וייצר בהצלחה את המעגל המשולב הראשון בעולם, שבב, בשנת 1959. מעגל משולב זה נועד לחרוט טרנזיסטורים (טרנזיסטורים), נגדים וקבלים של PNP על שבב גרמניום, ומשתמש בחוטים חיצוניים כדי לחבר אותם ליצירת מעגל. מעגל משולב פשוט זה הזניק את תעשיית השבבים, דחף את המדע והטכנולוגיה האנושיים לשיא חדש, ושינה לחלוטין את אורח החיים האנושי.

ההתקדמות המתמשכת של טכנולוגיית ייצור השבבים הפחיתה מאוד את מחירו של טרנזיסטור בודד. בשנת 1959 היו 6 טרנזיסטורים על שבב, שווה ערך ל-10 דולר לטרנזיסטור; בשנת 1971 היו 2,000 טרנזיסטורים על שבב, שווה ערך ל-0.3 דולר לטרנזיסטור; בשנת 2004 היו עשרות מיליארדי טרנזיסטורים על שבב, ומחירו של טרנזיסטור בודד ירד למיליארדית הדולר. השיפור בעלויות של השבבים אפשר לשבבים להיכנס לבתים של אנשים רגילים.

ניתן לומר שהשבב הוא ההמצאה הגדולה ביותר של המאה ה-20, והמצאות רבות אחרות מבוססות גם הן על שבבים. כיום, אנו חיים בעולם מוקף בשבבים, ויהיה קשה לנוע בלעדיהם.

חיי היומיום של אנשים הם בלתי נפרדים משבבים. מכשירים חכמים כמו טלפונים ניידים, מחשבים ושעונים חכמים כוללים שבבים. ציוד רשת כמו מודמים אופטיים, נתבים, כונני הבזק מסוג USB, כרטיסי זיכרון ודיסקים קשיחים ניידים כוללים שבבים. ישנם שבבים בציוד רשת ובציוד היקפי למחשב. תעודות זהות, דרכונים, כרטיסי אשראי, כרטיסי קניות, כרטיסי צריכה וכרטיסי זיהוי אישיים אחרים כוללים שבבים. טלוויזיות, רמקולים, מקרנים, מטענים, נורות LED, משקלים אלקטרוניים, מזגנים, מקררים, תנורי מיקרוגל, כיריים אינדוקציה, מחממי מים ומכשירי חשמל ביתיים אחרים גם הם כוללים שבבים. בקרת גישה, ניטור, תאים סולאריים וכו' גם הם זקוקים לשבבים. אם מישהו היה ממציא קוד שישבית את כל השבבים בעולם, חיי אדם היו עוצרים מלכת.

ג'ק קילבי זכה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2000 על המצאת השבב. הוא היה גם ממציא המחשבון הנייד והמדפסת התרמית. כאשר קילבי כונה מדען, הוא אמר בצניעות: "מדען הוא אדם שמסביר דברים וחייב להיות לו רעיונות גדולים; ואני פותר בעיות, מהנדס. חובתי היא להמציא תהליכים חדשים, לייצר מוצרים חדשים ולהרוויח כסף מהמצאות ויצירות."

2. כדי להבין את השבב, עליך תחילה להבין את "צומת ה-PN"

כפי שניתן לראות מהאמור לעיל, רכיבים אלקטרוניים כגון דיודות, טרנזיסטורים, נגדים וקבלים עשויים מחומרים מוליכים למחצה, ולאחר מכן מחוברים באמצעות חוטים. זהו מעגל משולב, המכונה גם שבב. כדי להבין שבבים, עליכם תחילה להבין את "צומת ה-PN", שהוא הליבה של טכנולוגיית המוליכים למחצה.

כאשר חומר מוליך למחצה מסומם ביסוד חמש-ערכי, ריכוז האלקטרונים עולה, ויוצר מוליך למחצה מסוג N; כאשר חומר מוליך למחצה מסומם ביסוד תלת-ערכי, ריכוז החור עולה, ויוצר מוליך למחצה מסוג P. "חור" מתייחס לחלל הריק שנותר על הקשר הקוולנטי לאחר שהאלקטרונים על הקשר הקוולנטי צוברים אנרגיה ומתנתקים מכבלי הקשר הקוולנטי והופכים לאלקטרונים חופשיים.

לאחר שהמוליך למחצה מסוג P והמוליך למחצה מסוג N נמצאים במגע הדוק, האלקטרונים בעלי הטעון השלילי והחורים בעלי הטעון החיובי מתפזרים זה לעבר זה; דיפוזיה של אלקטרונים וחורים גורמת להיווצרות שדה חשמלי פנימי על משטח המגע, והשדה החשמלי הפנימי מונע דיפוזיה זו, ומאפשרת לאלקטרונים ולחורים להיסחף אחורה. כאשר מהירות הדיפוזיה ומהירות הסחיפה של אלקטרונים וחורים מגיעות לאיזון דינמי, נוצר "צומת PN" על משטח המגע בין המוליך למחצה מסוג P והמוליך למחצה מסוג N.

הביצועים העיקריים של "צומת PN" הם "מוליכות יחידה". אם קצה מוליך למחצה מסוג P משמש כאלקטרודה חיובית וקצה מוליך למחצה מסוג N משמש כאלקטרודה שלילית, הזרם יכול לעבור דרך צומת PN; אם ​​קצה מוליך למחצה מסוג N משמש כאלקטרודה חיובית וקצה מוליך למחצה מסוג P משמש כאלקטרודה שלילית, הזרם לא יכול לעבור דרך צומת PN. השימוש בסיביות בינאריות במחשבים נקבע על ידי ביצועי "צומת PN". זרם העובר דרך "צומת PN" מייצג "1", וזרם שאינו עובר דרך "צומת PN" מייצג "0".

"צומת PN" היא דיודה. אם שני מוליכים למחצה מסוג P מצמידים זה לזה מוליך למחצה מסוג N, נוצרת טריודה, שהיא הטריודה מסוג PNP שהוזכרה לעיל. כמובן, אם יש מוליך למחצה מסוג P המצומד בין שני מוליכים למחצה מסוג N, הוא הופך לטרנזיסטור מסוג NPN.

אנשים רגילים אינם יכולים לראות את "הגוף האמיתי" של השבב. השבב קטן כמו קשקשים אנושיים וגדול כמו ציפורן אנושית. מכיוון שהוא דק מדי, יש לארוז אותו במעטפת אטומה לפני שניתן לחבר אותו למעגל חיצוני. כשפותחים מחשב, טלוויזיה או מכשיר חשמלי אחר, ניתן לראות מעגל מודפס גדול. ישנם רכיבים אלקטרוניים רבים על גבי מעגל מודפס. רכיבים אלקטרוניים אלה עם פינים מרובים הם שבבים. פינים אלה מחוברים למסופי הקלט והפלט של השבב. חלקם נמצאים משני צידי אריזת השבב, חלקם נמצאים על ארבעה צדדים, וחלקם מסודרים במטריצה ​​בתחתית, דחוס בצפיפות עם יותר מ-1,000 פינים.

3. הכנת צ'יפס זה כמו לחרוט את האדמה ואת כל בנייני הכבישים על גרגר אורז??

יש מושג שצריך להזכיר כאן, והוא "חוק מור". בשנת 1965, גורדון מור, מייסד שותף של יצרנית השבבים המפורסמת בעולם אינטל, הציע שמספר הטרנזיסטורים על שבב בודד יוכפל מדי שנה. מאוחר יותר הוא תיקן זאת להכפלה כל שנתיים. פסק דין זה אומת בפועל כנכון בעיקרו. בשנת 2011 היו 2.27 מיליארד טרנזיסטורים על שבב Intel Core i7. כיום, מספר הטרנזיסטורים על כמה שבבים מתקדמים עולה על עשרות מיליארדים. לפני מספר שנים, שבב הבינה המלאכותית WSE שיוצר על ידי יצרנית המוליכים למחצה Cerebras Systems בטכנולוגיית תהליך 16nm של TSMC שילב 1.2 טריליון טרנזיסטורים!

"תהליך" מתייחס לרוחב שער הטרנזיסטור על השבב, שאותו ניתן להבין בדרך כלל כגודל הטרנזיסטור. ככל שהתהליך קטן יותר, כך ניתן לייצר יותר טרנזיסטורים על שבב אחד, והמעגל המשולב הופך לגדול יותר.

מהירות החישוב של שבבים ממשיכה לעלות, הודות לאינטגרציה הגוברת של שבבים. ככל שרמת האינטגרציה של השבב גבוהה יותר, כך הרכיבים האלקטרוניים עליו קטנים יותר, והחוטים בין הרכיבים האלקטרוניים קצרים יותר. הזמן שלוקח לזרם לעבור מתקצר, צריכת האנרגיה מצטמצמת ומהירות העיבוד מואצת.

ישנן שלוש דרכים לגרום לשבב לשאת יותר טרנזיסטורים. האחת היא להגדיל את שטח השבב, השנייה היא להקטין את גודל הטרנזיסטורים, והשלישית היא להפוך את המעגל המשולב לתלת-ממדי. הגדלת שטח השבב בדרך כלל לא נחשבת מכיוון שהיא תגדיל את צריכת האנרגיה ותפחית את יעילות השבב. כיום, אנשים נוקטים בעיקר בשתי השיטות האחרונות כדי להגדיל את מספר הטרנזיסטורים בשבב.

ייצור שבבים שייך לעולם המיקרוסקופי, והרכיבים האלקטרוניים עליו קטנים כמו כמה אטומים או מולקולות, ונמדדים ביחידות מידה קטנות יותר, ננומטרים ואנגסטרמים. קנה המידה הקטן ביותר על סרגל כללי הוא מילימטרים, מילימטר אחד שווה ל-1000 מיקרון, מיקרון אחד שווה ל-1000 ננומטרים, וננומטר אחד שווה ל-10 אנגסטרמים. קוטר שיער האדם הוא 70,000 ננומטרים והיקפו הוא 220,000 ננומטרים. ייצור שבבים בתהליך של 5 ננומטרים הוא כמו בניית 44,000 כבישים לאורך שיערה.

יש גבול להקטנת גודלם של רכיבים אלקטרוניים, ולכן אנשים שוקלים לבנות מעגלים משולבים רב-שכבתיים על שבב אחד כדי להגדיל את מספר הטרנזיסטורים. זה כמו לבנות בנייני מגורים. בית בן קומה אחת יכול להכיל מספר קטן של דיירים, בעוד שבניין עם עשרות קומות יכול להכיל מספר רב של דיירים. הערמת המעגלים המשולבים מורכבת הרבה יותר מבניית בניין. הפריסה של כל קומה בבניין זהה, אך המעגלים של כל שכבה בשבב שונים, והחיבורים בין השכבות מורכבים ביותר.

בואו ניקח את המטאפורה הזו צעד קדימה: ייצור שבבים הוא כמו לחרוט כדור הארץ השלם על גרגר אורז, וכל הכבישים והבניינים על פני כדור הארץ חייבים להיחרו. כבישים הם החוטים על השבב, ובניינים הם הרכיבים האלקטרוניים על השבב. באמצעות המטאפורה הזו, הקוראים יכולים לדמיין כמה מורכב וקשה לייצר שבבים.

4. טיהור הסיליקון הוא הבסיס של תעשיית השבבים

ישנם חומרים רבים המוליכים למחצה, אך ביישומים מעשיים, יותר מ-90% מהם משתמשים בסיליקון מכיוון שנקודת ההיתוך של הסיליקון היא 1415 מעלות צלזיוס, מה שמאפשר תהליכים בטמפרטורה גבוהה בעיבוד שבבים.

סיליקון מותך מחול, אך כדי להתיך חול לסיליקון שניתן להשתמש בו לייצור שבבים נדרש טוהר גבוה במיוחד. אנו מכנים זהב עם טוהר של 99.99% זהב טהור (4 תשיעיות), אך טוהר הסיליקון המשמש לייצור שבבים חייב להגיע לפחות ל-11 תשיעיות, כלומר, אסור שיהיה יותר מאטום טומאה אחד לכל מיליארד אטומי סיליקון. סיליקון עם טוהר זה זוקק על ידי מעבדות בל בארצות הברית בשנת 1955. כיום ישנם מאות מיליארדי רכיבים אלקטרוניים על שבב, ודרישות הטוהר לסיליקון גבוהות יותר, לפחות 13 תשיעיות. זהו הבסיס לייצור שבבים. בלי שליטה בטכנולוגיית טיהור הסיליקון, אי אפשר ליצור שבב!

ייתכן שקוראים ישאלו, מדוע נדרש הסיליקון לייצור שבבים כה טהורים? הרכיבים האלקטרוניים בשבב קטנים מאוד. אם השבב מיוצר בתהליך של 5 ננומטר, זיהומים של ננומטר אחד יהרסו את כל השבב. הבה נצייר אנלוגיה. אם כביש ברוחב 40 מטרים ויש אבן גדולה ברוחב מטר אחד באמצע הכביש, מכוניות יכולות להתחמק מהאבן מבלי לגרום לפקקי תנועה. עם זאת, אם כביש ברוחב 5 מטרים בלבד ויש אבן גדולה ברוחב מטר אחד באמצע הכביש, מכוניות לא יוכלו להתחמק מהאבן, והכביש ייחסם.

לכן, ייצור שבבים לא רק דורש טוהר גבוה של סיליקון, אלא גם דורש שכל היבטי תהליך הייצור יהיו נקיים מאבק. טוהר השבבים גדול פי 100,000 מחדר ניתוח בבית חולים, ומחצית מהתהליך אף מתבצעת בסביבת ואקום. מסיבה זו, מפעלי ייצור שבבים אינם צריכים להיסגר במהלך מגפת הקורונה כדי להילחם במגפה, מכיוון שהעובדים מוגנים מכף רגל ועד ראש, וחלק מחליפות המגן אף מגיעות עם מערכות נשימה משלהן כדי למנוע זיהום של השבבים על ידי פליטת חילוף החומרים האנושי וגזים הננשפים.

5. האם מכונת הליתוגרפיה היא למעשה מקרן מעגל משולב??

השם "מכונת ליתוגרפיה" מתורגם בצורה שגויה ומטעה מאוד. אנשים רבים מאמינים בטעות שמכונת הליתוגרפיה "חורטת" מעגלים משולבים על פני השטח של סיליקון גבישי באמצעות מגע פיזי, בדיוק כמו חריטה במחשב. למעשה, השבב אינו "נחרט" אלא "מצולם". לכן, ראוי יותר לכנות את מכונת הליתוגרפיה "מקרן מעגל משולב".

כאשר הוופל לייצור השבב נכנס לשלב תהליך הפוטוליתוגרפיה, מכונת הפוטוליתוגרפיה מקרינה את תבנית המעגל המשולב על גבי הפוטורזיסט שעל פני הוופל דרך המסכה. לאחר חשיפת הפוטורזיסט, האזור החשוף נחרט בנוזל כימי ולאחר מכן מנוקה. בדרך זו, תבנית המעגל המשולב יוצאת. תהליך הפוטוליתוגרפיה זהה לזה של צילום מסורתי. אור עובר דרך הנגטיב כדי להפוך את נייר הצילום לרגישות, ולאחר מכן נייר הצילום המרגיש מפותח ומקובע בתמיסה כימית.

שבב צריך לעבור עשרות או אפילו מאות פוטוליתוגרפיה, ומספר תהליכים לאחר הפוטוליתוגרפיה ייקח מספר שבועות לפני שהוא יוכל להיכנס לשלב האריזה.

טכנולוגיית ייצור השבבים משתנה מיום ליום, אך רוב טכנולוגיות הליבה לייצור השבבים הגיעו ממעבדות בל. תרומתה של מעבדות בל למהפכת טכנולוגיית המידע תירשם לנצח בהיסטוריה.

7. האם אני יכול לייצר שבבים אם יש לי מכונת פוטוליתוגרפיה? ??

קוראים רבים מתעניינים מאוד במכונות פוטוליתוגרפיה וחושבים שניתן לייצר שבבים בעזרתן. למעשה, זה לא המקרה. למרות שמכונת הפוטוליתוגרפיה ממלאת תפקיד חשוב בייצור שבבים, היא רק תהליכים אחד מתוך יותר מ-1,000 בייצור שבבים. בעזרת מכונת פוטוליתוגרפיה, אם לא תצליחו לשלוט בתהליכים אחרים, עדיין לא תוכלו לייצר שבב.

בשנת 1961, חברת GCA האמריקאית ייצרה את מכונת הפוטוליתוגרפיה הראשונה בעולם. כיום, ישנן 7 חברות ב-4 מדינות בעולם שיכולות לייצר מכונות ליתוגרפיה, והן Asmaier בהולנד, Intel, Super Technology Semiconductor, Rudolf בארצות הברית, Nikon ו-Canon ביפן, ו-SusiMicro בגרמניה.

כפי שצוין לעיל, הבסיס של תעשיית השבבים הוא חומרים, כלומר, טיהור הסיליקון. ללא שליטה בטכנולוגיית טיהור הסיליקון, אי אפשר לייצר סיליקון גבישי ברמת טוהר של שבב, ואי אפשר לייצר שבבים.

יתר על כן, ישנם מאות מיליארדי רכיבים אלקטרוניים על השבב. מעגל כה ענק לא ניתן לציור ידנית. יש להשתמש בתוכנת אוטומציה לתכנון אלקטרוני (EDA). EDA הוא יישום מקיף של תחומים טבעיים רבים והוא נמצא במונופול של שלוש חברות אמריקאיות: Kadant, Synopsys ו-Mentor Graphics.

ל-EDA תפקיד מכריע בתהליך ייצור השבבים. תפקודו ושילובו תלויים לחלוטין ביכולות התכנון של ה-EDA. עם סיליקון בעל טוהר גבוה ומכונות פוטוליוגרפיה, אך ללא EDA או חוסר ידיעה כיצד להשתמש ב-EDA, עדיין לא ניתן לייצר שבב.

הצהרת אחריות: מאמר זה נכתב מתוך "IoT IQ". מאמר זה מייצג רק את דעותיו האישיות של המחבר ואינו מייצג את דעותיה של Sacco Micro והתעשייה. הוא מיועד להדפסה חוזרת ושיתוף בלבד ותומך בהגנה על זכויות קניין רוחני. אנא ציינו את המקור המקורי ואת המחבר לצורך הדפסה חוזרת. במקרה של הפרה כלשהי, אנא צרו עמנו קשר כדי למחוק אותה.

מספר טלפון של החברה: 86-0755-83044319+
פקס/פקס: 86-0755-83975897+
דוא"ל: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 מנהל לי

QQ: 332496225 מנהל Qiu

כתובת: חדר 809, בניין C, בניין הטכנולוגיה ז'אנטאו, שדרת מינגז'י מס' 1079, רובע לונגהואה החדש, שנזן