复旦大学微电子学院闫娜教授：芯片到底是什么

复旦大学微电子学院副院长闫娜教授日前在复旦大学管理学院与复旦大学微电子学院联合主办的“瞰见对话科创人物系列论坛”上，介绍了集成电路技术的发展历史、现状以及未来趋势。以下是演讲主要内容。

『从电子管、晶体管到超大规模集成电路』

所谓芯片，就是以集成电路为核心的电子技术，它是伴随着电子元器件小型化、微型化的发展而兴起的。

1904年，英国电气工程师弗莱明·约翰·安布罗斯发明了人类历史上第一只电子管，即真空二极管。两年后，美国人德夫勒斯特又发明了第一个能够放大电信号的电子器件，也就是真空三极管。

电子管尤其是真空三极管的发明和应用，拉开了现代电子学的序幕，在电子技术史上具有划时代的意义。这一发明成为过去100年来改变世界的重大发明之一，为我们开启了电子时代的大门。

1946年，美国贝尔实验室开始研究半导体。由肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组研制出了一个点接触型的锗晶体管，并因此共同获得了1956年的诺贝尔物理学奖，为集成电路的发展奠定了坚实基础。

基于锗晶体管的发明，美国德州仪器公司青年工程师杰克·基尔比于1958年成功发明了全世界第一块锗集成电路，他也因为这一发明获得了2000年诺贝尔物理学奖。

此后50多年来，集成电路的集成度飞速发展。以CPU芯片为例，1971年，英特尔发明了世界上第一块大规模集成电路，集成了2000多个晶体管；2002年，英特尔发明的奔腾4处理器采用0.13微米的工艺，集成了5500万个晶体管；2012年，英特尔发布了集成14亿个晶体管的处理器CPU，采用22纳米工艺；2022年，苹果发布的M1 Ultra芯片集成了1140亿个晶体管，这颗芯片由两颗芯片采用一定封装形式拼接而成。同时，英特尔也宣布，它的超级计算机芯片将拥有超过1000亿个晶体管。

人类的大脑就是一个先进的存储器，但除了大脑，我们还需要额外的存储介质。早期是印刷术，之后是磁盘、光盘，再到硬盘、U盘。一开始是32兆、64兆的U盘，现在已经有了32G、64G甚至更大的U盘存储器以及固态硬盘。存储器芯片方面，基于闪存芯片30T容量的便携式硬盘，可以储存1000多万册书籍，相当于用一个硬盘可以随身携带一个大型图书馆。

总的来说，集成电路朝着速度更快、功耗更低发展，追求更高效地处理数据，存储量也更大。

『衡量集成电路工艺水平的四大指标』

集成电路的工作速度主要取决于晶体管的特征尺寸。晶体管的特征尺寸越小，该工艺所能够接受的极限工作频率越高，开关速度也越快，相同面积的晶片所能容纳的晶体管数目也就越多。集成度越高，功能越强大。

描述集成电路工艺水平有四个指标：

第一是特征尺寸，也就是人们经常说的集成电路，工艺可以达到28纳米、14纳米、7纳米、5纳米等。头发丝的横截面积大概为8000平方微米，假设采用10纳米工艺，在一根头发丝的截面上可以制作出50万个晶体管，可见晶体管的尺寸有多小。

第二个是晶圆直径，也就是硅片尺寸。早期的硅片尺寸有4英寸、6英寸，现在是8英寸，主流的先进工艺是12英寸。晶圆尺寸越来越大，每一个晶圆上能够制造的集成电路芯片数量也越多，芯片成本就会大大降低。

第三个指标是DRAM（动态随机存取内存）的容量，可以用每一个工艺DRAM的尺寸，它的栅间距、金属间距等来评估工艺发展水平。

第四个指标是晶体管密度。

当特征尺寸不能再缩小时，怎样提高集成电路的性能、集成度？还有一个方式是采用先进的封装形式，比如2.5D封装、3D封装等。台积电的CoWoS封装技术以及Chiplet等技术，都是封装技术上的突破。

集成电路产品一般分为两类，一种是模拟产品，一种是数字产品。

就模拟产品而言，我们应该以全产业链整合的IDM（集芯片设计、制造、封测等多个环节于一体）形式积极发展半导体产业。目前全球领先的模拟芯片产品企业英飞凌、德州仪器都以IDM形式存在。

集成电路数字产品目前面临两种机遇，一是技术驱动，二是需求驱动。所谓技术驱动，就是从计算架构来引领创新，包括三维集成、量子计算等。需求驱动是指现有的物联网、自动驾驶、人工智能的发展对于集成电路数字产品产生了非常大的需求，不同需求会驱动产生不同形态的新的集成电路数字产品，推动集成电路产业的发展。

栏目主编：龚丹韵 文字编辑：徐蓓 题图来源：上观题图 图片编辑：邵竞

来源：作者：闫娜

只有指甲盖大小的芯片，是如何制造出来的？一组图文直观看懂！

知道吗？你手里拿的手机、办公用的电脑、看的电视，核心装置就是芯片。一颗芯片只有指甲盖大小，上面却有数公里的导线和几千万根晶体管,可谓世界上最精密的雕刻术。而如此精密的元件，主要原料竟然是我们司空见惯的沙子。

下面我们通过漫画了解下，从沙子到芯片的全过程。

（点击图片可放大）

漫画叙述比较简洁，接下来咱们以intel芯片为例，详述的描述整个过程：

第一阶段

沙子： 硅是地壳内第二丰富的元素，而脱氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25％的硅元素，以二氧化硅(SiO2)的形式存在，这也是半导体制造产业的基础。▼

硅熔炼： 12英寸/300毫米晶圆级，下同。通过多步净化得到可用于半导体知道质量的硅，学名电子级硅（EGS），平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。此图展示了是如何通过硅净化熔炼得到大晶体的，最后得到的就是硅锭（ingot）▼

单晶硅锭： 整体基本呈圆柱形，重约100千克，硅纯度 99.9999％。▼

下图是这个阶段的一个总结图（第一阶段）：

第二阶段

硅锭切割： 横向切割成圆形的单个硅片，也就是我们常说的晶圆 (Wafer)。顺便说，这下知道为什么晶圆都是圆形的了吧？▼

晶圆： 切割出的是晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕，表面甚至可以当镜子。事实上，intel自己并不生产这种晶圆，而是从第三方半导体企业那里直接购买成品，然后利用直接的生产线进一步加工，比如现在主流的45nm HKMG（高K金属柵极）。值得一提的是，intel公司创立之初使用的晶圆尺寸只有2英寸/50毫米▼

下图是这个阶段的一个总结图（第二阶段）：

第三阶段

光刻胶(Photo Resist)： 图中蓝色部分就是在晶圆旋转过程中浇上去的光刻胶液体，类似制作传统胶片的那种。晶圆旋转可以让光刻胶铺的非常薄、非常平。▼

光刻： 光刻胶层随后透过掩模(Mask)被曝光在紫外线(UV)之下，变得可溶，期间发生的化学反应类似按下机械相机快门那一刻胶片的变化。掩模上印着预 先设计好的电路图案，紫外线透过它照在光刻胶层上，就会形成微处理器的每一层电路图案。一般来说，在晶圆上得到的电路图案是掩模上图案的四分之一。▼

光刻： 由此进入纳米尺寸的晶体管级别。一块晶圆上可以切割出数百个处理器，不过从这里开始把视野缩小到其中一个上，展示如何制作晶体管等部件。晶体管相当于开关，控制着电流的方向。现在的晶体管已经如此之小，一个针头上就能放下大约3000万个。▼

下图是这个阶段的一个总结图（第三阶段）：

第四阶段

溶解光刻胶： 光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉，清除后留下的图案和掩模上的一致▼

蚀刻： 使用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分，而剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分。▼

清除光刻胶： 蚀刻完成后，光刻胶的使命宣告完成，全部清除后就可以看到设计好的电路图案。▼

下图是这个阶段的一个总结图（第四阶段）：

第五阶段

刻胶： 再次浇上光刻胶(蓝色部分)，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材料。▼

离子注入（ion implantation）： 在真空系统中，用经过加速的，要掺杂的院子的离子照射（注入）固体材料，从而在被注入的区域形成特殊的注入层，并改变这些区域的硅的导电性。经过电场加速后，注入的离子流的速度可以超过30万千米每小时。

清除光刻胶： 离子注入完成后，光刻胶也被清除，而注入区域(绿色部分)也已掺杂，注入了不同的原子。注意这时候的绿色和之前已经有所不同。▼

下图是这个阶段的一个总结图（第五阶段）：

第六阶段

晶体管就绪： 至此，晶体管已经基本完成。在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞，并填充铜，以便和其它晶体管互连。▼

电镀： 在晶圆上电镀一层硫酸铜，将铜离子沉淀到晶体管上。铜离子会从正极(阳极)走向负极(阴极)。▼

铜层： 电镀完成后，铜离子沉积在晶圆表面，形成一个薄薄的铜层。▼

下图是这个阶段的一个总结图（第六阶段）：

第七阶段

抛光： 将多余的铜抛光掉，也就是磨光晶圆表面。▼

金属层： 晶体管级别，留个晶体管的组合，大约500纳米。在不同晶体管之间形成复合互连金属层，具体布局取决于相应处理器所需要的不同功能性。芯片表面看起来异常平滑，但事实上可能包含20多层复杂的电路，放大之后可以看到极其复杂的电路网络，形如未来派的多层高速公路系统。▼

下图是这个阶段的一个总结图（第七阶段）：

第八阶段

晶圆测试： 内核级别，大约10毫米/0.5英寸。图中是晶圆的局部，正在接受第一次功能性测试，使用参考电路图案和每一块芯片进行对比。▼

晶圆切片(Slicing)： 晶圆级别，300毫米/12英寸。将晶圆切割成块，每一块就是一个处理器的内核(Die)。▼

丢弃瑕疵内核 ：晶圆级别。测试过程中发现的有瑕疵的内核被抛弃，留下完好的准备进入下一步。▼

下图是这个阶段的一个总结图（第八阶段）：

第九阶段

单个内核 ：内核级别。从晶圆上切割下来的单个内核，这里展示的是Core i7的核心。

封装： 封装级别，20毫米/1英寸。衬底(基片)、内核、散热片堆叠在一起，就形成了我们看到的处理器的样子。衬底(绿色)相当于一个底座，并为处理器内核提供电气与机械界面，便于与PC系统的其它部分交互。散热片(银色)就是负责内核散热的了。

处理器： 至此就得到完整的处理器了(这里是一颗Core i7)。这种在世界上最干净的房间里制造出来的最复杂的产品实际上是经过数百个步骤得来的，这里只是展示了其中的一些关键步骤。

下图是这个阶段的一个总结图（第九阶段）：

第十阶段

等级测试： 最后一次测试，可以鉴别出每一颗处理器的关键特性，比如最高频率、功耗、发热量等，并决定处理器的等级。

装箱 ：根据等级测试结果将同样级别的处理器放在一起装运。▼

零售包装 ：制造、测试完毕的处理器要么批量交付给OEM厂商，要么放在包装盒里进入零售市场。

下图是这个阶段的一个总结图（第十阶段）：

内容来源：中国电子网、财看见-腾讯新闻，责任编辑：鲁班七号

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