简述芯片制造过程

芯片的生产从用户需求开始，经过设计、制造、封装、成品测试到最后出厂。其中技术难度最高的是设计和制造。设计需要大量的计算机辅助设计软件，设计费时很长，要设计出好产品，需要积累大量的经验。目前，大部分产品都是在原先设计的版本上翻新的。芯片制造是芯片生产中投资最大的部分，一个技术领先的芯片制造厂，没有几十亿美元是不可能制造出产品的。除了投资巨大之外，还必须有大量的有经验的技术人员才能研发出好的制造流程。

芯片制造一般有五个重要步骤：一是光刻（Photolithography）；二是刻蚀（Etch）；三是薄膜沉积（Deposition）；四是扩散（Diffusion）；五是离子注入（Ion Implantation）。

一、光刻

光刻和传统的照相相似，先在晶圆上涂上光刻胶（Photo Resistor），然后曝光掩膜板（Mask），显影光刻胶（Develop），再刻蚀曝光过的区域。于是，晶圆上就留出了刻蚀或离子注入的区域。光刻工艺主要用于定义硅晶圆上的几何图案。

1、涂覆光刻胶

在晶圆上绘制电路的第一步是在氧化层上涂覆光刻胶。光刻胶通过改变化学性质的方式让晶圆成为“相纸”。晶圆表面的光刻胶层越薄，涂覆越均匀，可以印刷的图形就越精细。这个步骤可以采用“旋涂”方法。

根据光（紫外线）反应性的区别，光刻胶可分为两种：正胶和负胶，前者在受光后会分解并消失，从而留下未受光区域的图形，而后者在受光后会聚合并让受光部分的图形显现出来。

2、曝光

在晶圆上覆盖光刻胶薄膜后，就可以通过控制光线照射来完成电路印刷，这个过程被称为“曝光”。我们可以通过曝光设备来选择性地通过光线，当光线穿过包含电路图案的掩膜时，就能将电路印制到下方涂有光刻胶薄膜的晶圆上。

3、显影

曝光之后的步骤是在晶圆上喷涂显影剂，目的是去除图形未覆盖区域的光刻胶，从而让印刷好的电路图案显现出来。显影完成后需要通过各种测量设备和光学显微镜进行检查，确保电路图绘制的质量。

二、刻蚀

用物理的、化学的或同时使用化学和物理的方法，有选择地把没有掩膜保护的那一部分材料去除，从而得到与掩膜一致的图形，实现图形转移。

刻蚀的方法主要分为两种，取决于所使用的物质：使用特定的化学溶液进行化学反应来去除材料的湿法刻蚀，以及使用气体或等离子体的干法刻蚀。

1、湿法刻蚀

利用特定溶液与未受保护部分的材料进行化学反应，形成可溶物质溶解在溶液中，从而使材料从表面逐层清除

2、干法刻蚀

干法刻蚀可以分为物理性刻蚀、化学性刻蚀、物理化学结合（反应离子刻蚀）三种。

三、薄膜沉积

薄膜淀积是把物质沉积在晶圆表面上。有化学气相淀积（Chemical Vapor Deposition，CVD）和物理气相淀积（Physical Vapor Deposition，PVD）等方法。化学气相淀积是把几种气体注入硅晶圆之上，进行化学反应后物质淀积在晶圆上。物理气相淀积把一个个原子淀积在硅晶圆上，它是从固相到气相再到固相的过程。

1、化学气相淀积

在化学气相沉积中，前驱气体会在反应腔发生化学反应并生成附着在晶圆表面的薄膜以及被抽出腔室的副产物。

2、物理气相淀积

物理气相沉积是指通过物理手段形成薄膜。溅射就是一种物理气相沉积方法，其原理是通过氩等离子体的轰击让靶材的原子溅射出来并沉积在晶圆表面形成薄膜。

四、扩散

扩散在芯片制造中有两个作用：一是产生氧化层，产生氧化层的温度为800～1200℃，二是在高温下把杂质注入硅晶圆或激活。

五、离子注入

离子注入就是把晶圆作为一个电极，在离子源和晶圆之间加上高电压，于是那些掺杂离子就会以极高的能量打入晶圆，在晶圆上形成N或P型区域。离子注入后必须对晶圆进行高温退火（Anneal）从而修复离子注入后晶圆的损伤。离子注入主要用于制造不同的半导体区域（N区或P区见下图）。

芯片的制造原理，3D动画看从砂子到芯片的完整过程

这是一块芯片，把它放大可以看到迷宫一样的线路，线路远远不止一层，每层都错综复杂。再放大就能看到晶体管，一块芯片里有260亿个这样的晶体管，最先进的芯片已经能装900亿个晶体管了。

芯片是怎么造出来的？

·先把石英砂制成多晶硅，加热让它熔化，再让它生长成纯度达到9个9的单晶硅。

·然后掐头去尾切割成硅片，再抛光打磨出镜面就造出了晶圆。12寸晶圆的直径是300毫米，跟一口锅差不多，能切出230个芯片来，但它的厚度只有0.75毫米，非常脆弱。

·加工的时候要用晶圆盒装起来，运到晶圆厂的各个机器里走流程，每次进出机器都需要机械手轻轻地拍拿放，整个过程没有工人接触，保持绝对的干净。

·加工前要先清洁晶圆，先用去离子水清洗，再用气体来干燥，然后放在高温下通入氧气，让晶圆表面形成一层二氧化硅保护层，这样制造芯片的材料就准备好了。

·接下来要用光把电路图刻到芯片表面，说是刻其实是把电路图复制到光刻胶上。先在晶圆中心滴上光刻胶，然后高速旋转，用离心力让光刻胶分布均匀，浅浅烘烤一下帮助光刻胶附着。

·重点来了，下面要把晶圆送进光刻机了，准备一张光掩膜，它是刻着电路图的玻璃遮光板，一张光掩膜就要30万美元，制造一块芯片需要80张不同的光掩膜，算算这得多少钱？这组透镜可以把光掩膜上的图案缩小4倍，再投射到芯片上，光的分辨率决定了芯片能做到多小，顶级的光刻机要2亿美元一台。

·然后用紫外光照射晶圆，光刻胶见光死，被照射到的胶很容易脱落，而没被照射到的留了下来，形成了跟光掩膜一样的电路图，就像盖章一样在晶圆上盖230个章，实际过程很快就形成了230个电路图。

·然后用去离子水和显影液一洗，让已经见光死的胶脱落，露出电路图，再烘烤一次，让晶圆上残留的光刻胶变硬。

·接着就照着电路图刻蚀出电路，把晶圆泡到溶剂里，没有光刻胶保护的地方会被腐蚀掉，严格控制溶剂成分和浸泡时间就能刻出指定深度的沟儿，跟光掩膜上的电路图一模一样。

·如果不刻蚀晶圆而是给它表面喷膜或者让它自己长出一层膜，那没有光刻胶保护的地方厚度就会增加，就好像用遮板来喷字一样。

·薄膜一共有3种：金属、绝缘体也就是氧化物还有硅的结晶层，每种都用不同的工艺来流积晶层。纯硅导电性差，往晶圆里注入金属离子才能实现电流和信号的传递，形成真正的电路。注入离子的时候会破坏晶格，注入之后要顺手修复。沉积和离子注入之前也要用光刻机刻画出电路图，这就是为什么光刻机如此重要。

·这只是完成了一层，而芯片一共有80层，重复上面的步骤80次，每次结束的时候都要清洗晶圆，这才能形成80层堆叠起来的导电或绝缘层，每一层都有设计好的线路图案。再坚持一下，快造好了。

·用电镜检查晶体管的结构，标记出有缺陷的部分，把晶圆切割成小方块，最后完成封装。

价格高达10万块的芯片就制作好了，100000RMB。

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