集成电路ic的结构和组成电子元器件

集成电路ic的结构和组成 - 电子元器件一般的，我们用由上而下的层级来生疏集成电路，这样便于理解，也更有条理些。

（1）系统级
以手机为例，整个手机是一个简单的电路系统，它可以打电话、可以玩玩耍、可以听音乐、可以哔--。

它由多个芯片以及电阻、电感、电容相互连接而成，称为系统级。

（当然，随着技术的进展，将一整个系统做在一个芯片上的技术也已经消灭多年——SoC技术）（2）模块级
在整个系统中分为很多功能模块各司其职。

有的管理电源，有的负责通信，有的负责显示，有的负责发声，有的负责统领全局的计算，等等。

我们称为模块级。

这里面每一个模块都是一个宏大的领域，都聚集着很多人类才智的结晶，也养活了很多公司。

（3）寄存器传输级（RTL）
那么每个模块都是由什么组成的呢？以占整个系统较大比例的数字电路模块（它特地负责进行规律运算，处理的电信号都是离散的0和1）为例。

它是由寄存器和组合规律电路组成的。

所谓寄存器就是一个能够临时存储规律值的电路结构，它需要一个时钟信号来把握规律值存储的时间长短。

现实中，我们需要时钟来衡量时间长短，电路中也需要时钟信号来统筹支配。

时钟信号是一个周期稳定的矩形波。

现实中秒钟动一下是我们的一个基本时间尺度，电路中矩形波震荡一个周期是它们世
界的一个时间尺度。

电路元件们依据这个时间尺度相应地做出动作，履行义务。

组合规律呢，就是由很多“与（AND）、或（OR）、非（NOT）”规律门构成的组合。

比如两个串联的灯泡，各带一个开关，只有两个开关都打开，灯才会亮，这叫做与规律。

一个简单的功能模块正是由这许很多多的寄存器和组合规律组成的。

把这一层级叫做寄存器传输级。

图中的三角形加一个圆圈是一个非门，旁边的器件是一个寄存器，D是输入，Q是输出，clk端输入时钟信号。

（4）门级
寄存器传输级中的寄存器其实也是由与或非规律构成的，把它再细分为与、或、非规律，便到达了门级（它们就像一扇扇门一样，阻挡/允许电信号的进出，因而得名）。

（5）晶体管级
无论是数字电路还是模拟电路，到最底层都是晶体管级了。

全部的规律门（与、或、非、与非、或非、异或、同或等等）都是由一个个晶体管构成的。

因此集成电路从宏观到微观，达到最底层，满眼望去其实全是晶体管以及连接它们的导线。

早期的时候双极性晶体管（BJT）用的比较多，俗称三极管。

它连上电阻、电源、电容，本身就具有放大信号的作用。

像积累木一
样，可以用它构成各种各样的电路，比如开关、电压/电流源电路、上面提到的规律门电路、滤波器、比较器、加法器甚至积分器等等。

由BJT构建的电路我们称为TTL（Transistor-Transistor Logic）电路。

BJT的电路符号长这个样子：
后来金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的消灭，以优良的电学特性、超低的功耗横扫IC领域。

除了模拟电路中BJT还有身影外，基本上现在的集成电路都是由MOS管组成的了。

同样的，由它也可以搭起来成千上万种电路。

而且它本身也可以经过适当连接用来作电阻、电容等基本电路元件。

MOSFET的电路符号如下：
如上所述，在实际工业生产中，芯片的制造，实际上就是成千上万个晶体管的制造过程。

现实中制造芯片的层级挨次就要反过来了，从最底层的晶体管开头一层层向上搭建。

基本上，依据“晶体管-芯片-电路板”的挨次，我们最终可以得到电子产品的核心部件——电路板。

想直接看芯片制造的可以直接空降至此。

下文中的光刻机主要指步进式和扫描式光刻机。

1. 首先我们知道，光刻的大致流程是，一个晶圆（wafer）（通常直径为300mm）上涂一层光刻胶，然后光线经过一个已经刻有电路
图案（pattern）的掩膜版（mask or reticle）照射到晶圆上，晶圆上的光刻胶部分感光（对应有图案的部分），接着做后续的溶解光刻胶、蚀刻晶圆等处理。

然后再涂一层光刻胶，重复上述步骤几十次，以达到所需要求；
2. 简化结构请看下图。

掩膜版和晶圆各自安装在一个运动平台上（reticle stage and wafer stage）。

光刻时，两者运动到规定的位置，光源打开。

光线通过掩膜版后，经过透镜，该透镜能够将电路图案缩小至原来的四分之一，然后投射到晶圆上，使光刻胶部分感光。

3. 一块晶圆上有很多die，每一个die上都刻有相同的电路图案，即一块晶圆可以出产很多芯片。

一个die典型的尺寸是26×32mm。

光刻机主要有两种，一种叫做stepper，即掩膜版和晶圆上的某一个die运动到位后，光源开、闭，完成一次光刻，然后晶圆运动使得下一个die到位，再进行一次光刻，依此类推。

而另一种光刻机叫做scanner，即光线被限制在一条缝的区域内，光刻时，掩膜版和晶圆同时运动，使光线以扫描的方式扫过一个die的区域，从而将电路图案刻在晶圆上（见下图(b)）。

scanner比stepper的优势在于，可以供应更大的die的尺寸。

其缘由在于，对于一个固定尺寸的圆透镜，比如直径32mm的圆（指投射后的区域大小），其允许透过的光线的区域尺寸是受限的。

若接受stepper的step-and-expose方式进行光刻，一个die的区域必需能被包含在直径32mm的圆中，因此能获
得的最大的die的尺寸为22×22mm；若接受scanner的step-and-scan方式，透镜能够供应的矩形区域长度可以到26mm（26×8mm）甚至更长，将光缝设置为这个尺寸，使用扫描的方式便可以获得26×Lmm的区域（L为扫描长度）。

区域示意见下图(a)。

同样的透镜在stepper下可以实现更大区域的意义在于，当你需要生产尺寸较大的芯片的时候，换一个更大的透镜的费用是昂贵的。

4. Scanner的step-and-scan过程的示意图如下：
5. 为了使每层的电路相互之间不发生干涉，需要对上下平台进行精密运动把握。

扫描时上下平台应处于匀速运动阶段。

目前最小的层叠误差小于2nm（单个机器内）或3nm（不同机器间）。

6. 光源的波长一般为365、248、193、157甚至13.5 nm（EUV，Extreme Ultraviolet）。

由于光刻过程受到衍射限制，光源波长越小，能够做出的芯片尺寸就越小。

7. 在透镜和晶圆之间加入折射率大于1的液体（如水），可以减小光线波长，从而提高NA（数值孔径）和辨别率。

这种光刻机叫浸润式（immersion）光刻机。

8. 世界上做高端光刻机的厂家主要有ASML、Nikon和Canon。

佳能或许已经不行了。

Nikon每年开个会叫做LithoVision。