动图加详细解释：让你一下看懂芯片是如何制造出来的

作者：佰思科学 ｜ 沈东旭 邱亚明

芯片可以被称为现代信息产业的粮食，如果没有芯片，所有的信息产品都要停摆。 近来美国对华为的制裁，传说中的对中芯国际的制裁，都是想从根本上阻挡中国信息产业的蓬勃发展之势。

芯片是如此的重要，大家也对芯片行业的发展动态十分的关注。故而很多人也想更清楚地了解，芯片到底是如何制造出来的。本文通过一系列动图向你展示整个芯片的制造流程。芯片的诞生过程，可以分为设计、制造、封测三大步。

设计

芯片的诞生总是从设计开始的。 下面你所看到的，就是芯片的设计图。

芯片设计图

在芯片设计图中，你可以看到很多这样的符号：

晶体三极管

这些都是晶体管的符号。晶体管有三个管脚，上下两个管脚C和E之间可以流过电流，而中间那个B管脚则是一个开关，决定了C和E之间能否有电流通过。看起来就好像下图一样，

晶体管工作示意图

当然，点按开关的小手指头，只不过是一个可爱的模拟；真实的实现，是通过B管脚的电流来控制，直观来说如下图所示，

晶体管的工作原理

我们都知道，在数字化系统中，信息都有0、1来代表，因此晶体管这种开与关的状态天然与0、1状态相切合，自然而然就成了数字电路中最基本的组成部分。换句话说，用一定数量的晶体管，就能实现我们想要的功能；想要得到更多更好的功能，就要增加晶体管数量。假如我们把芯片比做一栋大厦，那么晶体管就是建设这栋大厦的每一块砖。

一开始，晶体管长成这样：

晶体管

是不是感觉有点占地方？于是，人们就想办法把晶体管做小，就出现了集成电路，也就是芯片。 在芯片里，集成了大量的晶体管。对同样面积的芯片来说，每一个晶体管的尺寸越小，能容纳的晶体管数量就越多，芯片功能就越强大。简单来说，晶体管两个管脚之间的距离被定义为线宽，线宽越窄，则晶体管就越小，那么芯片能容纳的晶体管就越多。我们常说某种芯片采用了5纳米或者7纳米的工艺，这里面的5纳米或7纳米指的就是晶体管的线宽。 以华为最新的麒麟1020芯片为例，采用的是台积电5nm工艺，晶体管数量达到了惊人的150亿。

麒麟1020是当前世界上最先进的手机处理器

制造

芯片设计好了，该怎么制造呢？芯片是在一块圆型的高纯度硅片上进行制造的，人们管它叫做晶圆（Wafer）。硅的纯度非常高，用于做芯片的硅能达到11个9的纯度，就是99.999999999%。

晶圆由高纯度的硅制成

晶圆有不同的直径。随着技术的进步，晶圆的直径总是在增加。 大晶圆能生产更多的芯片，更少的浪费，因此能带来更好的制造效率，降低成本。近年来，晶圆的直径从4英寸（100mm）、6英寸（150mm），已经增加到8英寸（200mm）、12（300mm）英寸。未来还会增加到15英寸甚至20英寸。

不同的晶圆尺寸

制造芯片的过程，本质上来说就是在硅材料上实现一个个晶体管的过程。 芯片里面的晶体管可以抽象成下图中的模式：

芯片里的晶体管

在硅晶体的上面，需要有一个二氧化硅绝缘层，再上面还有一个导电硅化合物层（图中红色部分），起到开关的作用。晶体管的电流流动模式如下图所示：

晶体管内的电流流动

整个芯片的制造过程分为很多细小的步骤。首先晶圆要放进加热炉（Furnace）里，炉子的温度有1000℃，目的是将晶圆表面氧化，形成二氧化硅绝缘层。

晶圆被放进加热炉中氧化

然后，在晶圆表面涂上光刻胶，这是为了进行晶圆曝光做准备。

涂光刻胶

至此，所有的准备工作都做完了，下一步就是上光刻机了。在曝光之前，你需要有光掩膜（Mask）。这是一块绘有电路图的玻璃，光刻机就要把上面的电路图投影到晶圆上面去。光掩膜是非常贵的，几十万美元很常见，贵的甚至超过一百万美元。

光掩膜

晶圆曝光的原理很简单，就是光通过掩膜和镜头，投射到晶圆上面去。

晶圆曝光的原理

现在进行晶圆曝光的光源通常是深紫外光（DUV）或者极紫外光（EUV）。光刻机曝光的过程可以看下图：

光刻机进行晶圆曝光

原理虽然简单，但执行曝光操作的光刻机则是超级复杂的机器，号称人类有史以来做过的最复杂的机器。在所有芯片生产步骤里，中国企业与世界先进水平差距最大的就是光刻机；其他领域虽然也有差距但解决起来都比光刻机容易。 换句话说，只要中国的光刻机水平能与世界先进水平看齐，则中国整体芯片生产能力也将达到世界先进水平。光刻机包括了光源，透镜和双工件台三大部分，双工件台相当于放晶圆的架子。 光刻机的内部结构见下图，

光刻机的内部结构

曝光之后，就要把晶圆上不需要的部分去掉，需要的部分保留。下一道工序就叫做蚀刻 ，常用的方法是等离子蚀刻，晶圆在蚀刻机受到等离子体的轰击，不需要的部分就被去除了。

蚀刻机在工作

再下一步就是离子注入，也叫做掺杂 --硅片内需要掺入一些元素以改变硅的导电性能。在离子注入机里，这些元素的带电离子被加速后撞击晶圆，进入硅片内部。

离子注入设备

这个步骤完成之后，一个曝光流程就基本结束了。通常每次曝光制作的只是芯片的一部分，完整的芯片需要多次曝光完成。于是又要重复之前说过的氧化、镀膜、光刻、蚀刻、掺杂等步骤，复杂的芯片要反复操作好几十次，才能最终完成。

封测

对芯片代工厂来说，处理完成的晶圆是这样的。

代工厂加工好的晶圆

再下一步的工作就是送去封测厂，先对晶圆进行切割，就得到了一个个的裸片，die。

切割晶圆

裸片放到合适的包装里 ，再经过检测，就成为芯片了。

芯片常见的封装形式

如果以上解释你看的不过瘾，可以在我们头条主页看一个由佰思科学制作的2分半钟的芯片制作视频！

芯片制造的6个关键步骤

来源：内容来自ASML阿斯麦光刻，谢谢。

在智能手机等众多数码产品的更新迭代中，科技的改变悄然发生。苹果A15仿生芯片等尖端芯片正使得更多革新技术成为可能。这些芯片是如何被制造出来的，其中又有哪些关键步骤呢？智能手机、个人电脑、游戏机这类现代数码产品的强大性能已无需赘言，而这些强大的性能大多源自于那些非常小却又足够复杂的科技产物——芯片。世界已被芯片所包围：2020年，全世界共生产了超过一万亿芯片，这相当于地球上每人拥有并使用130颗芯片。然而即使如此，近期的芯片短缺依然表现出，这个数字还未达到上限。尽管芯片已经可以被如此大规模地生产出来，生产芯片却并非易事。制造芯片的过程十分复杂，今天我们将会介绍六个最为关键的步骤：沉积、光刻胶涂覆、光刻、刻蚀、离子注入和封装。

沉积

沉积步骤从晶圆开始，晶圆是从99.99%的纯硅圆柱体（也叫“硅锭”）上切下来的，并被打磨得极为光滑，然后再根据结构需求将导体、绝缘体或半导体材料薄膜沉积到晶圆上，以便能在上面印制第一层。这一重要步骤通常被称为 "沉积"。随着芯片变得越来越小，在晶圆上印制图案变得更加复杂。沉积、刻蚀和光刻技术的进步是让芯片不断变小，从而推动摩尔定律不断延续的关键。这包括使用新的材料让沉积过程变得更为精准的创新技术。

光刻胶涂覆

晶圆随后会被涂覆光敏材料“光刻胶”（也叫“光阻”）。光刻胶也分为两种——“正性光刻胶”和“负性光刻胶”。正性和负性光刻胶的主要区别在于材料的化学结构和光刻胶对光的反应方式。对于正性光刻胶，暴露在紫外线下的区域会改变结构，变得更容易溶解从而为刻蚀和沉积做好准备。负性光刻胶则正好相反，受光照射的区域会聚合，这会使其变得更难溶解。正性光刻胶在半导体制造中使用得最多，因其可以达到更高的分辨率，从而让它成为光刻阶段更好的选择。现在世界上有不少公司生产用于半导体制造的光刻胶。

光刻

光刻在芯片制造过程中至关重要，因为它决定了芯片上的晶体管可以做到多小。在这个阶段，晶圆会被放入光刻机中（没错，就是ASML生产的产品），被暴露在深紫外光（DUV）下。很多时候他们的精细程度比沙粒还要小几千倍。光线会通过“掩模版”投射到晶圆上，光刻机的光学系统（DUV系统的透镜）将掩模版上设计好的电路图案缩小并聚焦到晶圆上的光刻胶。如之前介绍的那样，当光线照射到光刻胶上时，会产生化学变化，将掩模版上的图案印制到光刻胶涂层上。使曝光的图案完全正确是一项棘手的任务，粒子干扰、折射和其他物理或化学缺陷都有可能在这一过程中发生。这就是为什么有时候我们需要通过特地修正掩模版上的图案来优化最终的曝光图案，让印制出来的图案成为我们所需要的样子。我们的系统通过“计算光刻”将算法模型与光刻机、测试晶圆的数据相结合，从而生成一个和最终曝光图案完全不同的掩模版设计，但这正是我们想要达到的，因为只有这样才能得到所需要的曝光图案。

刻蚀

下一步是去除退化的光刻胶，以显示出预期的图案。在"刻蚀"过程中，晶圆被烘烤和显影，一些光刻胶被洗掉，从而显示出一个开放通道的3D图案。刻蚀工艺必须在不影响芯片结构的整体完整性和稳定性的情况下，精准且一致地形成导电特征。先进的刻蚀技术使芯片制造商能够使用双倍、四倍和基于间隔的图案来创造出现代芯片设计的微小尺寸。和光刻胶一样，刻蚀也分为“干式”和“湿式”两种。干式刻蚀使用气体来确定晶圆上的暴露图案。湿式刻蚀通过化学方法来清洗晶圆。一个芯片有几十层，因此必须仔细控制刻蚀，以免损坏多层芯片结构的底层。如果蚀刻的目的是在结构中创建一个空腔，那就需要确保空腔的深度完全正确。一些高达175层的芯片设计，如3D NAND，刻蚀步骤就显得格外重要和困难。

离子注入

一旦图案被刻蚀在晶圆上，晶圆会受到正离子或负离子的轰击，以调整部分图案的导电特性。作为晶圆的材料，原料硅不是完美的绝缘体，也不是完美的导体。硅的导电性能介于两者之间。将带电离子引导到硅晶体中，让电的流动可以被控制，从而创造出芯片基本构件的电子开关——晶体管，这就是 "离子化"，也被称为 "离子注入"。在该层被离子化后，剩余的用于保护不被刻蚀区域的光刻胶将被移除。

封装

在一块晶圆上制造出芯片需要经过上千道工序，从设计到生产需要三个多月的时间。为了把芯片从晶圆上取出来，要用金刚石锯将其切成单个芯片。这些被称为“裸晶”的芯片是从12英寸的晶圆上分割出来的，12英寸晶圆是半导体制造中最常用的尺寸，由于芯片的尺寸各不相同，有的晶圆可以包含数千个芯片，而有的只包含几十个。这些裸晶随后会被放置在“基板”上——这种基板使用金属箔将裸晶的输入和输出信号引导到系统的其他部分。然后我们会为它盖上具有“均热片”的盖子，均热片是一种小的扁平状金属保护容器，里面装有冷却液，确保芯片可以在运行中保持冷却。

一切才刚刚开始

现在，芯片已经成为你的智能手机、电视、平板电脑以及其他电子产品的一部分了。它可能只有拇指大小，但一个芯片可以包含数十亿个晶体管。例如，苹果的A15仿生芯片包含了150亿个晶体管，每秒可执行15.8万亿次操作。当然，半导体制造涉及到的步骤远不止这些，芯片还要经过量测检验、电镀、测试等更多环节，每块芯片在成为电子设备的一部分之前都要经过数百次这样的过程。

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晶圆｜集成电路｜设备｜汽车芯片｜存储｜台积电｜AI｜封装

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