做芯片最详细芯片制造过程，看完就知道有多难，绝不是一台光刻机的事情

发布时间 : 2024-11-23

作者 : 小编

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最详细芯片制造过程，看完就知道有多难，绝不是一台光刻机的事情

芯片，是所有现在科技应用到现实中的基础，作为一个崛起的大国，掌握芯片技术，是一种必需。

不过国际社会，也是“一山不容二虎”，另一个大国，是不会眼睁睁看着另外一大国的崛起的，所以，通过各种手段，限制另一个大国芯片产业的发展，也成了一种必然。

芯片，看起来很小，就一个指甲盖大小，但是里面所涉及的技术却相当复杂，丝毫不亚于建造飞及和航母。方寸之间，把包含了数十亿个晶体管，有人说，用高倍显微镜来观察芯片的内部结构，比世界上任何一座都要复杂和庞大。如果说，这个世界上哪一种东西把“纳须弥入芥子”这句佛法成为了真实，我想，一定是芯片。

有人说，举全国之力来做一颗芯片，还做不出来吗？是的，还真做不出来，因为，芯片这东西，不是说有钱有人就能够快速从无到有的，还需一个重要的因素：时间。所有的高端技术是通过时间的积累，才达到今天的高度。

看了西瓜视频创作人抖抖代码的视频，本人想在他的基础再展开一下，让大家了解更多有关芯片产业链接知识。

那制造芯片到底有多难呢？我们得说起，首先看看芯片是怎么做出来的。

一、芯片架构

制造芯片之前，需要设计芯片。芯片设计需要有相应的芯片架构，芯片架构就好像房子的结构框架，比如木结构，土木结构，混凝土结构，钢结构等等。现在全球主的要芯片架构主要有四种，分别为：X86、ARM、RiSC-V和MIPS四种。

1、X86架构由美国INTEL公司在1978年发明，中架后面的AMD，IBM也沿用这种架构分别研发了自己芯片，现在PC机上面运行的CPU基本都是X86架构，X86架构的特点是性能高，速度快，兼容性好。

2、ARM是1983年由英国ARM公司发明的，是一个32位精简指令集处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于能耗低，成本低的特点，ARM处理器非常适用于移动通讯领域，符合其主要设计目标为低耗电的特性。现在使用ARM的芯片公司主要有苹果，谷歌，IBM和华为。因为是ARM发明的，这个芯片公司要研发ARM架构的芯片，首先必须取得ARM的授权，否则就不能进行更新迭代。

3、RiSC-V架构是基于精简指令集计算(RISC)原理建立的开放指令集架构(ISA)，RISC-V是在指令集不断发展和成熟的基础上建立的全新指令。RISC-V指令集完全开源，设计简单，易于移植Unix系统，模块化设计，完整工具链，同时有大量的开源实现和流片案例，得到很多芯片公司的认可。RiSC-V架构由RiSC-V架构基金会运营，目前拥有成员超275名，其中软、硬件公司和机构会员达169家，阿里，谷歌，华为科技，紫光科技都是它的成员。阿里旗下的玄铁系列就是使用RiSC-V架构。

4、MIPS架构是美国MIPS科技公司在1981年发明的，是一种采取精简指令集（RISC）的处理器架构，它是基于一种固定长度的定期编码指令集，并采用导入/存储数据模型。经改进，这种架构可支持高级语言的优化执行。其算术和逻辑运算采用三个操作数的形式，允许编译器优化复杂的表达式。

如今基于该架构的芯片广泛被使用在许多电子产品、网络设备、个人娱乐装置与商业装置上。最早的MIPS架构是32位，最新的版本已经变成64位。

从上面的资料可以看出，当正主流的芯片技术都在美国和英国所控制，特别是在应用最为广泛的PC和移动端芯片，通过几十的沉淀和完善，其实国家如果要从零开始进行赶超，可以说比送宇航员登月还要难。

看了芯片架构，我们接着开始芯片设计，因为芯片的设计不同于其它工业设计，需要用到专用的设计软件。

二、芯片设计

芯片的设计软件有很多种，不同的设计需求使用对应的设计软件，现在主要的芯片设计软件有以下几种：

1、设计输入工具：

像Cadence的composer,viewlogic的viewdraw,硬件描述语言VHDLVerilog HDL是主要设计语言，许多设计输入工具都支持HDL.另外像Active-HDL和其它的设计输入方法，包括原理和状态机输入方法，设计FPGA/CPLD的工具大都可作为IC设计的输入手段，如Xilinx、Altera等公司提供的开发工具，Modelsim FPGA等。

2、设计仿真工作：

EDA工具的一个最大好处是可以验证设计是否正确，几乎每个公司的EDA产品都有仿真工具。Verilog-XL,NC-verilog用于Verilog仿真，Leapfrog 用于VHDL仿真，Analog Artist用于模拟电路仿真。Viewlogic的仿真器有：viewsim门级电路仿真器，speedwaveVHDL仿真器，VCS一verilog仿真器。Mentor Graphics有其子公司Model Tech 出品的VHDL和Verilog双仿真器：Model Sim.Cadence,Synopsys用的是VSS(VHDL仿真器）。现在的趋势是各大EDA公司都逐渐用HDL仿真器作为电路验证的工具。

3、综合工具

综合工具可以把HDL变成门级网表。这方面Synopsys工具占有较大的优势，它的Design Compile是作综合的工业标准，它还有另外一个产品叫Behavior Compiler,可以提供更高级的综合。另外最近美国又出了一家软件叫Ambit,说是比Synopsys的软件更有效，可以综合50万门的电路，速度更快。今年初Ambit被Cadence公司收购，为此Cadence放弃了它原来的综合软件Synergy.随着FPGA设计的规模越来越大，各EDA公司又开发了用于FPGA设计的综合软件，比较有名的有：Synopsys的FPGA Express,Cadence的Synplity,Mentor的Leonardo,这三家的FPGA综合软件占了市场的绝大部分。

4、布局和布线

在IC设计的布局布线工具中，Cadence软件是比较强的，它有很多产品，用于标准单元、门阵列已可实现交互布线。最有名的是Cadence spectra,它原来是用于PCB布线的，后来Cadence把它用来作IC的布线，其主要工具有：Cell3,Silicon Ensemble标准单元布线器；Gate Ensemble门阵列布线器；Design Planner-布局工具。其它各EDA软件开发公司也提供各自的布局布线工具。

5、物理验证工具

物理验证工具包括版图设计工具、版图验证工具、版图提取工具等等。这方面Cadence也是很强的，其Dracula、Virtuso、Vampire等物理工具有很多的使用者。

6、模拟电路仿真器

前面讲的仿真器主要是针对数学电路的，对于模拟电路的仿真工具，普遍使用SPICE,这是唯一的选择。只不过是选择不同公司的SPICE,像MiceoSim的PSPICE、Meta Soft的HSPICE等等。HSPICE现在被Avanti公司收购了。在众多的SPICE中，最好最准的当数HSPICE,作为IC设计，它的模型最多，仿真的精度也最高。

上面说了这么多，很多人也看不懂，只想告诉大家一件事情，这些设计软件的拥有者基本都是美国公司，使用这些软件，都需要进行购买，如果有一天，这些公司不要开放给其它国家的芯片公司使用，只要在后台把权限一切断，就什么都开不了，因为每一个软件的使用的终端都有一个ID，可以随时把ID的权限关闭。VX封号，大家有体验过就明白了。

也有朋友说，不就是一个软件吗？他不给买咱们写一个出来就行了，其实这种工业设计软件不是我们常用的APP，几个月就能开发一个，这种软件也是需要通过长期的研发，再通过不同的场景应用再进行升级完善。而且中间牵涉到的算法也非常复杂，需要应用到数学，物理，工程学等各种学科。从来开发这样的软件，没有10多20年是拿不下来的。

此文还未完稿，就收到哈工大，哈工程两所大学被禁止使用工科数据处理软件MATLAB的消息。

芯片设计出来了，终于要开始生产了

三、芯片制造

制造芯片的原料非常简单，绝大部分来源于沙子，随处可见，储量非常丰富，取之不尽，用之不竭，所以原材料是不缺的。下面开始按步骤来制作

1、对沙子进行脱氧，提取沙子中的硅元素，这也是半导体制造产业的基础元素。2、硅熔炼，通过多脱氧，熔炼，净化得到大晶体，就是大大的一坨，学名叫作硅锭。3、硅锭切割，把硅锭横向切割成圆形的单个硅片，也就是大家所说的晶圆，晶圆会进行抛光打磨，打磨甚至可以拿出来当镜子用的光滑度。4、涂胶，在旋转过程中向晶圆上均匀的涂上一层薄薄的胶。5、光刻、通过光刻机把一个已经设计好芯片电路的芯板上所有的电路图都刻在晶圆上，此时形成了芯片的核心电路图案。6、掺杂、在真空中向硅中添加其它的元素，以改变这些区域的导电性，这是为了下一步半导体晶体管制造奠定基础。7、MOS管制造，MOS管是构成芯片门电路的核心，一个芯片有几十亿个这样的晶体管来组成，这一步主要的工艺就是制造MOS晶体管，形成MOS管包括元极，漏极，门极，沟区等在内的原件，然后盖上一层黄色的氧化层，再在最外层再覆盖上一层铜，以便能与晶体管进行电路的连接。最后一道工序就是把它们磨平8、按照同样的工序制造几十亿个这样的晶体管，晶体管之间通过这些错综复杂的电路相连接，形成一个大型的集成电路。9、检测、丢弃有瑕疵的内核，这些晶体都是在纳米级别的测试过程中，发现有瑕疵的内核将被抛弃。10、切割、这样一个晶圆上一次会产生多个芯片内核，现在把它切割成每一个单独的芯片内核，切割后的芯片内核安装在芯片的基座上，这就是一个芯片的成品了。11、等级测试以及评定、对芯片的最高频率，功耗，发热等进行评价，按照测试结果，评定以不同的型号进行出厂销售。

这就是制造一个芯片的全过程，看起来只有这11步，其实中间的工序有数千道，就是光刻这一道工序要经过上千次的反复操作。工序繁杂，对工艺的要求就非常高，不然生产出来的良品率会非常低，芯片的生产的每一道工序，必须达到100%的良品，就算每一次达到99%，到了最后一道，良品率可以还达不到10%，这样制种出来的芯片成本会非常高。

说到芯片的制造，现在全球能生产芯片的公司有以下十家：

1、美国的英特尔

2、韩国的三星

3、美国的德州仪器nm

4、日本东芝

5、日本索尼

6、台湾台积电

7、意大利和法国的意法半导体

8、日本的瑞萨

9、韩国的海力士

10、中国的中芯国际

其中美国有3家，日本有3家，韩国有2家，中国有2家，能够生产7nm制程却只有两家，分别是台积电和三星。

虽然上面的这些公司都能生产芯片，但是都需要一件关键设备：光刻机，现在全球能生产光刻机的企业只有一家：荷兰ASML（阿斯麦尔）。如果ASML不向以上10家芯片生产企业的某一家销售光刻机，那么这家企业的工艺制程就只能停留在当前的水平，再也无法向前，竞争，是不存在，这就是赤裸裸的垄断。

有些人也许会问，ASML是荷兰公司，和西方大国的打压行动没有关系，这样想就错了，ASML的机器当初发展的时候因为缺资金，只好找客户来投资，才得发展，所以，ASML的光刻机基本属于自产自销，其中最大的股东就是美国的英特尔，在某种程度来说，虽然ASML是荷兰企业，却是美资控股。

为了彻底控制芯片产来整条供应链，西方大国从很早开始，就开始了布局，从芯片架构到芯片设计，然后再芯片生产，牢牢把握住了话语权，芯片产业中的西方大国，就像社交领域的鹅厂，电商领域的猫厂，已经扎根到了细节末节，没有任何办法能够绕过去。

其实在上个世纪，高丽和扶桑的芯片产业曾一度非常发达，大有超越西方大国之势，后来西方大国用尽各种办法，把这两个国家的芯片全部整下去，牢牢的把科技标准的制定权控制在自己手。

打压虽然正在重来，但是历史却不会重演。

虽然东方大国要想取得到芯片的自主权，重新塑造世界标准，是非常有难度的，但是我们相信，中华民族的智慧无与伦比，总有办法克服这个困难，拥有自己的芯片全产业链，做为先头部队，菊花厂己经在国际标准的制定中踏进了一只脚。只要有更多的企业和人才从后助力，这条缝隙就会越挤越大，然后把整个身子都挤进去，最后坐在那把本来应该属于我们的椅子上。

看一段西瓜视频 ，竟然能带出这么多的科普知识，所以有空的时候要看看西瓜视频，里面有很多优质内容，能学到很多知识。

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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，