走進(jìn)晶圓廠，深入了解芯片制造流程

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有些晶體管的尺寸超過(guò)500億個(gè)，這些晶體管比人類頭發(fā)絲的寬度還小1萬(wàn)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(zhǎng)度相當(dāng)于四個(gè)足球場(chǎng)。

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(dòng)力。但自疫情以來(lái)，世界對(duì)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(guò)來(lái)又加劇了通貨膨脹，并在美國(guó)引起了人們的警覺(jué):美國(guó)正變得過(guò)于依賴海外制造的芯片。美國(guó)僅占全球半導(dǎo)體制造產(chǎn)能的12%左右;超過(guò)90%的最先進(jìn)的芯片來(lái)自臺(tái)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(zhǎng)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(shí)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(jì)劃，將在俄亥俄州的新奧爾巴尼和德國(guó)的馬格德堡建立新工廠。

為什么制造數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的這些微小部件意味著建造和花費(fèi)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(kāi)始取代體積龐大的單個(gè)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(chǔ)數(shù)據(jù)、放大無(wú)線電信號(hào)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(jì)算機(jī)的大部分計(jì)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手臺(tái)積電可以生產(chǎn)更小的元件，這是蘋果選擇臺(tái)積電為其最新款iphone制造芯片的一個(gè)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(tái)機(jī)器用于在制造芯片時(shí)從硅晶片上蝕刻材料。

芯片制造商將越來(lái)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(fèi)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(gòu)置機(jī)器外，公司還必須花費(fèi)巨資開(kāi)發(fā)復(fù)雜的加工步驟，用平板大小的硅片來(lái)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(gè)晶圓上設(shè)計(jì)芯片，然后沉積和蝕刻材料層來(lái)制造晶體管并將它們連接起來(lái)。在這些系統(tǒng)中，在自動(dòng)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(gè)步驟，長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)月。近年來(lái)，臺(tái)積電已經(jīng)為產(chǎn)量設(shè)定了節(jié)奏，運(yùn)營(yíng)著擁有四條或四條以上生產(chǎn)線的“千兆工廠”(gigafabs)。市場(chǎng)研究公司TechInsights的副董事長(zhǎng)Dan Hutcheson估計(jì)，每個(gè)工廠每月可以加工10萬(wàn)片以上的晶圓。他估計(jì)，英特爾在亞利桑那州的兩家計(jì)劃投資100億美元的工廠每個(gè)月的生產(chǎn)能力約為4萬(wàn)個(gè)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(gè)芯片在包裝前存儲(chǔ)在磁帶和卷軸上。

芯片將附著在封裝基板上。

在封裝過(guò)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(dú)的薄片。這些被測(cè)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(gè)新的戰(zhàn)場(chǎng)，因?yàn)橐丫w管做得更小更加困難?，F(xiàn)在，各家公司正在將多個(gè)芯片堆疊起來(lái)，或者將它們并排放置在一個(gè)包裝中，將它們連接起來(lái)，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(kāi)發(fā)出一種先進(jìn)的產(chǎn)品，利用新技術(shù)將47個(gè)獨(dú)立芯片捆綁在一起，其中包括一些由臺(tái)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(dòng)工具零件。

工人在潔凈室內(nèi)安裝自動(dòng)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?qǐng)@區(qū)的處理機(jī)器中排出。

英特爾芯片通常售價(jià)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(tái)式電腦微處理器，起價(jià)為739美元。一塊肉眼看不見(jiàn)的灰塵可以毀掉一個(gè)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(lái)過(guò)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(dòng)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(dòng)大量液體和氣體的能力。英特爾的頂級(jí)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(wàn)的泵、變壓器、動(dòng)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(duì)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(wàn)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?yàn)樵谏a(chǎn)過(guò)程的許多階段都需要水來(lái)清潔晶圓。

英特爾公司在錢德勒的兩個(gè)站點(diǎn)每天從當(dāng)?shù)毓檬聵I(yè)單位共抽取約1100萬(wàn)加侖(約4200萬(wàn)升)的水。英特爾未來(lái)的擴(kuò)張將需要更多的資金，這對(duì)于像亞利桑那州這樣飽受干旱困擾的州來(lái)說(shuō)似乎是一個(gè)挑戰(zhàn)，該州已經(jīng)削減了對(duì)農(nóng)民的用水分配。但農(nóng)業(yè)實(shí)際消耗的水比一個(gè)芯片廠多得多。

英特爾表示，它在錢德勒的站點(diǎn)依靠三條河流和一口井的供應(yīng)，通過(guò)過(guò)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(yíng)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(guò)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(xiàng)目上，到2030年促進(jìn)亞利桑那州和其他州的供水。

如何建造晶圓廠

希爾斯伯勒的工人搬運(yùn)建筑材料。

英特爾未來(lái)在錢德勒的工廠之一。為了建造其設(shè)施，英特爾將需要大約 5,000 名熟練的建筑工人，為期三年。

挖掘錢德勒的兩個(gè)新工廠的地基預(yù)計(jì)將清除 890,000 立方碼的泥土

Chandler 挖掘的泥土將以每分鐘一輛自卸卡車的速度運(yùn)走。

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(lái)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(shuō)，挖掘地基預(yù)計(jì)將清除89萬(wàn)立方碼(約合68萬(wàn)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(jì)將澆筑超過(guò)44.5萬(wàn)立方碼的混凝土，并使用10萬(wàn)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(shuō)，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(lái)。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(shuō)美國(guó)國(guó)會(huì)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(xiǎn)，他計(jì)劃重點(diǎn)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(duì)市場(chǎng)變化。

為了解決芯片短缺的問(wèn)題，蓋爾辛格將不得不執(zhí)行他的計(jì)劃，生產(chǎn)由其他公司設(shè)計(jì)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(lái)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(méi)有哪個(gè)國(guó)家能夠獨(dú)善其身。盡管推動(dòng)國(guó)內(nèi)制造業(yè)可以在一定程度上降低供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，但芯片行業(yè)將繼續(xù)依賴一個(gè)復(fù)雜的全球企業(yè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)提供原材料、生產(chǎn)設(shè)備、設(shè)計(jì)軟件、人才和專業(yè)制造。