从沙子到芯片：芯片的事理和制造过程

我们现在利用的电脑和手机、电视、冰箱、洗衣机等家电，和工厂中的全部机器和设备中的掌握系统，如果我们把它拆开，都会看到类似下面这样的印制电路板，印制电路板上有多个电容、电阻、电感等电子元器件，把稳下图的玄色的方形元件。

印制电路板

将印制电路板放大，中间玄色的方形元件这便是我们常说的芯片。

印制电路板上的芯片

芯片是什么？芯片实在是半导体元件产品的统称，不太严格的说集成电路便是芯片。
芯片是包含了一个或多个集成电路的、能够实现某种特定功能的通用半导体元件产品。

我们看到的芯片须要通过一个叫“封装”的制作步骤，装到一个外壳里保护起来。
芯片可以做到很小，比手指间还小的多。

芯片可以做到很小

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1-芯片的基本布局：

芯片的布局如下图

芯片的布局

我们把封装的外壳拿掉，才能真正看到芯片的内部核心，用显微镜放大。

用显微镜放大芯片

上图中，外围一圈像斑马线的，是引脚（针脚）。
而分散开来的细细的线，是引线。
中间方形的部分，才是芯片真正的电路，是芯片的核心部分，我们将其连续放大来看。

连续放大芯片，就能看到电路

密密麻麻的彷佛有点不明以是，换成3D图形，事理如下。

IC 芯片的 3D 模型图

从上图中芯片的 3D 剖面图来看，底部深蓝色的部分便是晶圆。
赤色的部分是逻辑闸层，即晶体管，它是整颗个芯片中最主要的部分，将多种逻辑闸组合在一起，完成功能完好的 芯片。
黄色的部分都是连线，功能是将赤色部分的晶体管连接在一起，起到数据通报的浸染。

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2-芯片的事情事理：

芯片的基本组成元素即半导体PN结，一个由半导体材料硅作为基片，采取了不同的掺杂工艺，在硅中掺杂了其它元素，形成了P型半导体（掺杂硼）和N型半导体（掺杂磷），二者的交界面形成的空间电荷区称为PN结。
PN结具有单引导电性，只能P型接正极，N型接负极，才可以导电；反之无法导电。

当我们将多少PN结组装在一起形成晶体管后，晶体管可以实现电旗子暗记的放大和开关等浸染。
我们再将多少晶体管组合在一起就可以实现一定的逻辑门“与”、“或”、“非”（见下图），这些逻辑门终极输出的结果就可以转化为二进制的数字旗子暗记“0”和“1”。

半导体PN结、逻辑门的事理，这是电子技能的入门知识

通过电旗子暗记掌握晶体管里面的开关，进而掌握电路的通断。
一秒内实现开关几百万次乃至更多，产生大量的0 和 1，转化成二进制进行打算、存储等，以上便是芯片实现打算、逻辑、存储等的基本事理。

晶体管事理图

芯片里的晶体管的构造由栅极、源极、漏极、半导体硅晶圆衬底等构成。
事情事理：栅极类似于掌握“按钮”，当我们给栅极加一个电压，源极和漏极就会导通，电子就可以通过。
电压消逝，通道也随着消逝。

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3-芯片制造流程大致是，提炼和制作晶圆—制作掩膜版—光刻—刻蚀—离子注入—镀铜 —测试和封装，接下来逐一先容芯片的制造过程：

3-1制作晶圆：

3-1-1提炼沙子，制成多晶硅：芯片制造的第一步是从沙子开始的，这种沙子硅含量很高的硅石，紧张身分和沙子一样是二氧化硅，经由熔炼得到纯度约为98%-99%的冶炼级工业硅。
然后进一步提纯，可以得到硅纯度可以高达99.999999999%的多晶硅，一共11个九的硅棒。

提炼沙子，制成多晶硅

3-1-2制作单晶硅：我们的芯片须要的是晶格均匀、连续、电学性子稳定的单晶硅，因此要把多晶硅棒，制作成镜面的单晶硅，目前主流制法采取柴克拉夫斯基法。
详细做法见下图（流程从左到右），加热熔化高纯度多晶硅，形成硅溶液。
然后将一条眇小的单晶硅作为引子进入硅溶液，再缓慢地向上旋转提拉，被拉出的硅溶液，由于温度梯度低落会凝固成固态硅柱。

制作单晶硅过程

这个过程有点像将将火腿肠放入加热的蜂蜜中，然后取出火腿肠，蜂蜜就凝固在火腿肠上。
成型的硅柱尺寸越大，终极切割成的硅片尺寸也就越大，同一晶圆上可生产的集成电路就越多。

3-1-3制作晶圆硅片：硅柱后续被切割成圆片，然后再进行磨光、研磨、抛光、洗濯等工序，终极得到厚度小于1mm的硅片。
我们常常看到的8寸、12寸，也便是晶圆片的直径尺寸，尺寸越大对技能哀求越高，整体的芯片制造本钱越低。

成品晶圆硅片

3-2 光刻技能：

3-2-1第一步，先准备好光刻掩膜版。

光刻掩膜版简称掩模，是光刻工艺所利用的图形母版，是采取微纳加工技能制作的，掩模上承载有设计好的微电路图形，光芒透过它的镂空部分，把设计图形透射在光刻胶上。
掩膜版的浸染类似于摄影中的底片，或者像印钞机中钞票的母版。

掩膜版

芯片的光刻工艺精度越高，则掩膜版层数的越多，这是由于利用一层掩膜版曝光转移图案不足清晰，多曝光几次图案就更加清晰。
制作40nm（纳米）的芯片时，转移图案的过程中，须要利用到40层旁边的掩膜版；到了14nm的时候，会利用到60层的掩膜版；而到了7nm，至少须要80层的掩膜版。

掩膜版透光事理

3-2-2第二步，晶圆硅片上涂光刻胶。

首先按照a图在晶圆硅片表面涂上一层光刻胶，再按照b图烘干。
光刻胶是能把光影化为实体的一种胶体，只要被特定波长的光照射就会疲软，可以被溶解和打消。
光刻胶的浸染有点类似于的摄影技能中的胶卷。

晶圆硅片涂上光刻胶，烘干

3-2-3第三步，最为关键的光刻工艺。

将硅晶圆放置在在光刻机上，光芒透过掩模上的镂空部分（即事先设计好的电路图），把掩模上的图形投影在晶圆表面的光刻胶上，实现曝光，引发光化学反应。
对曝光后的晶圆进行第二次烘烤，使得光化学反应更充分。
末了，把显影液喷洒到晶圆表面的光刻胶上，对曝光图形显影，于是掩模上的图形就被存留在了光刻胶上。

光刻事情事理

光学透镜的浸染是：可以聚拢衍射光提高成像质量，在光刻技能中为得到尽可能小的图案，在掩模板和光刻胶之间采取了一种具有缩小倍率的投影成像物镜。

上述过程后，没有被掩模遮挡的光在显影液浸染下会使硅晶圆上的光刻胶脱落，便是我们须要的电路；而硅晶圆上被掩模遮挡光芒的部分，光刻胶会遗留在硅晶圆表面，能起到保护硅晶圆的浸染，这便是刻蚀过程。

刻蚀工艺事理

在全体光刻工艺过程中，涂胶、烘烤和显影都是在匀胶显影机中完成的，曝光也是在光刻机中完成的。
匀胶显影机和光刻机一样平常都是联机作业的，晶滑腻调皮过机器手在各单元和机器之间传送。
全体曝光显影系统是封闭的，晶圆不直接暴露在周围环境中，以减少环境中有害身分对光刻胶和光化学反应的影响。

光刻工艺可以普通一点的阐明：光透过掩模，经由透镜聚焦，将掩模上的图案缩小到纳米级别投影在硅晶圆中，形成电路，这类似于我们拍摄照片的过程；而光刻工艺中的刻蚀过程，有点类似于我们冲洗照片的过程。

3-3 离子注入：

光刻完成后，在硅晶圆的不同位置加入不同的杂质，不同杂质根据浓度/位置的不同就组成了场效应晶体管。
我们在离子注入机中，将硅晶圆中植入离子，天生相应的P型半导体（掺杂硼）、N型半导体（掺杂磷）。
为此也要前辈行光刻，把不想注入离子的区域用光刻胶贴膜保护。

离子注入事理

详细工艺是从硅片上暴露的区域开始，放入化学离子稠浊液中。
这一工艺将改变搀杂区的导电办法，使每个晶体管可以通、断、或携带数据。
大略的芯片可以只用一层，但繁芜的芯片常日有很多层，这时候将该流程不断的重复，不同层可通过开启窗口联接起来。

3-4 电镀：

在等离子注入之后，并稳定下来形成晶体管之后，还会有一道工序，便是镀铜，在硅基表面涂上一层铜。
而在镀铜之后，再次通过光刻、刻蚀等动作，将镀上去的这一层铜切割成一条一条的线，这些线是按照芯片设计电路图有规则的把晶体管连接起来的。

芯片镀铜

而芯片的电路图可能有几十层，以是这样的过程也会重复几十次。

3-5 封装、测试、包装：

将制造完成晶圆固定，绑定引脚，按照需求去制作成各种不同的封装形式，这便是同种芯片内核可以有不同的封装形式的缘故原由。

经由上述工艺流程往后，芯片制作就已经全部完成了，将芯片进行测试、剔除不良品，以及包装。

封装后的成品芯片

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4- 芯片制造的最大难点：

我们常常说的芯片纳米是指制造芯片的制程，即晶体管电路的尺寸，单位为纳米(nm)。

从上面芯片制造流程看，光刻、刻蚀、离子注入、镀铜这四个最主要的工艺流程，都是在光刻机上完成的。
光刻机的精度决定了芯片中晶体管的大小，光刻机的精度越高，制造出的芯片晶体管越小，硅晶圆中的晶体管数量就越多，数据存储量就越大。

一块芯片中包含了至少上百亿个晶体管

不仅如此，作为芯片投影用的母版，掩膜版的制造和芯片光刻流程很相似都要经由光刻工艺，但比芯片的光刻工艺更难，也是要在板子上涂上光刻胶，然后用激光或电子束显影，末了再进行刻蚀，显出电路图形来。

光刻工艺是芯片制造中最核心的工艺

目前海内自主研制的光刻机只有90nm的制程，而荷兰ASML制造的最前辈EUV光刻机波长已经达到13.5nm，可以做7nm、5nm、3nm、2nm、1nm制程的芯片。

光刻机基本事理

ASML可量产最新的 EUV 光刻机，售价高达1.2亿美元一台，最前辈的EUV光刻机，单台设备超过10万个零件，4万个螺栓，3000多条线路，软管加起来就有两公里长。
设备重180吨，单次发货须要动用40个货柜，20辆卡车以及3架货机才可以运完。
同时将这些零件组装起来须要1年韶光，后续的参数设置，模块调试韶光又更长。

ASML的 EUV是天下上最前辈的光刻机

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像三星、台积电等芯片巨子进入10 纳米制程后的难点是， 1 颗原子的大小大约为 0.1 纳米，在 10 纳米的情形下，一条线只有不到 100 颗原子，在制作上相称困难，而且只要有一个原子的毛病，像是在制作过程中有原子掉出或是有杂质，就会产生不有名的征象，影响产品的优秀率。

环球芯片巨子，第二名便是中国台湾的台积电

目前国产芯片制造状况：

1）就像前面所说的，我们和天下前辈制造水平差距最大的，还是光刻机的母机制造。

2）作为原材料，国产硅晶圆技能已经比较成熟，可以生产各种规格的晶圆，中国已经从高纯度硅晶圆入口国变成了出口国。

3）作为电路母版，掩膜版的国产化率目前较低，紧张集中在350nm~180nm掩膜版的生产制造，而40nm以下的高端掩膜版基本上被日本和美国企业所垄断。

4）光刻胶作为耗材，也是被日美等少数厂商所垄断，但是今年4月份海内科研团队刚刚取得了技能上的重大打破，期待能早日量产，缩小差距。

5）也有好的一壁，我们的芯片封装技能已经达到4nm的天下前辈水平，且多个海内厂家均能量产。

5）最主要的成品芯片纳米制程，目前全天下最前辈的是台积电和三星的5nm量产芯片技能，在掉队多年的情形下，2024年中国全面打破技能封锁，华为麒麟9000s的实现了7nm的量产工艺。

华为麒麟9000芯片

我们的日常家电、工控机和汽车上的中低端芯片的制造相对随意马虎些，但是打算机做事器、手机、航空翱翔器、火箭、卫星等不仅有很高的技能哀求，还受到空间限定，这些高端芯片哀求具有体积小、存储空间大、运算速率快等特点，目前正向3nm技能发展，这对我们提出了更高的哀求。

北斗卫星上的宇航级芯片，价格高达900万公民币

从沙子到芯片的繁芜制造过程，十分繁芜，一个指尖大小的芯片里脸庞纳了几百亿～几千亿个晶体管，这本身便是一件不可思议的技能奇迹。
而芯片制造中涉及到半导体技能、电子技能、微电子技能、光电技能、纳米技能、化工冶炼、微加工技能、薄膜制备技能、封装测试技能......等多门类技能，是一个国家科技实力的综合表示。

路漫漫其修远兮，吾将高下而求索。
虽然我们的很多技能目前相对掉队乃至还受制于人，但我们相信在未来十年之内，中国的芯片技能一定会奋起直追。

希望我们的芯片制造像我们的高铁技能一样，未来取得令人叹为不雅观止的飞速进步

后记：本文之以是以芯片技能事理为紧张内容，而不是一味的比拟国内外技能差距，不仅是要让更多的人具备基本知识，更紧张的是帮助大家投入到爱国主义的实际行动中，而不是勾留在空喊口号的阶段。

这和三十年前一样，我们谁都未曾预见到中国目前的基建和重装制造已经领先环球，那么我们的芯片家当，未来也是充满了希望的。