从制造端来聊聊——芯片是如何诞生的

今天就从制造端来聊聊——芯片是如何诞生的。

01从沙子到单晶硅棒

从一把可以随手扬起的沙子，到各行各业不可或缺的芯片，需要经历成百上千道加工程序。其中第一步，就是先把沙子变成单晶硅。

沙子主要成分是二氧化硅，芯片所需的硅元素就蕴含其中。

但要真正地制造芯片，对硅原料的纯度要求就非常高了——平均100W个硅原子中最多只能有1个杂质原子。

所以就需要对沙子进行反复多次提纯，然后在高温下通过区熔或直拉工艺，在炉膛中整形或提拉，然后得到硅单晶体棒（单晶硅棒），纯度要求达到99.9999%。

02从单晶硅棒到晶圆

得到单晶硅棒后，进行横向切割就能得到许多圆柱形的单晶硅片。这个硅片，就是我们常说的晶圆（Wafer）。

晶圆直径越大，制造难度越大，能够切割出来的芯片也越多。目前主流的晶圆直径是12英寸（大概30cm）。

切片之后还需要经过研磨、抛光、清洗工序，让晶圆片的表面比镜面还要洁净平整，以便于后续刻制电路。

到这一步，我们只是为建造芯片打好了“地基”，离芯片本身还差得很远，接下来才是汇集最先进技术的加工步骤。

03从晶圆到芯片

集成电路，顾名思义就是把设计好的电路以堆叠的形式集成在一起，就像建造城市一样。

这也就是为什么业内常说造芯片就像盖房子。

如何把设计好的电路版图实现在晶圆片上？这其中涉及的步骤就比较多了。

1.光刻

光刻是芯片制造中非常重要的一个工艺程序，也是决定了芯片集成度的核心工序。

在进行光刻之前，需要在晶圆上涂抹液态光刻胶，这一步也叫匀胶。这样做可以让光刻胶变得薄且平。

光刻胶层透过掩模被曝光在紫外线之下，变得可溶，掩模上印着预先设计好得电路图案，紫外线透过它照在光刻胶层上，就会形成每一层电路图形。这个原理和老式胶片曝光类似。

也就是说，要通过匀胶、前烘、曝光、显影、坚膜等一系列步骤，把晶圆表面薄膜的特定部分去除，留下带有微图形结构的薄膜。这样一来，设计好的电路图形就能从光刻板上转移到晶圆表面的光刻胶上。

这就要求光刻设备要具备非常高的图形分辨率和灵敏度，并且保证缺陷度低。

一般情况下，在半导体器件制造整个过程中会进行很多次光刻流程，生产复杂一些的集成电路可能需要进行多达50步光刻。

2.刻蚀

刻蚀和光刻的联系非常紧密。

刻蚀就是通过化学反应或物理作用，把晶圆上没有被光刻胶覆盖的部分去除掉，只留下一个一个的凹槽（也就是所需要的电路结构）。

刻蚀技术主要分为干法刻蚀与湿法刻蚀。干法刻蚀主要利用反应气体与等离子体进行刻蚀；湿法刻蚀主要利用化学试剂与被刻蚀材料发生化学反应进行刻蚀。

3.掺杂

扩散和离子注入都是主要的掺杂工艺。

这一步就是可控数量的所需杂质掺入到晶圆的特定区域里，改变半导体的电学性能，使导电的性能增大增强，最后形成N区或P区。

在刻蚀和离子注入完成后，光刻胶的使命就完成了，将光刻胶清除后就可以得到设计好的电路图案。到此为止，晶体管基本就已完成。

接下来还会进行磨平、形成电极、晶圆测试等步骤。之后，就要对晶圆进行切割，形成一颗一颗的die。

04把芯片封装起来

其实我们平时常见的芯片，都是通过封装之后的得到的芯片产品。

封装就是把芯片的焊区和封装的外引脚互连，然后再使用绝缘材料外壳把芯片打包起来。

这样做一方面可以防止芯片受损，起到保护芯片性能、便于运输的作用，另一方面也可以通过互连，把芯片组件/电路模块连接起来。

接下来就是芯片测试环节，通常包括老化测试、成品检测和可靠性测试，通过测试会将不良品剔除掉，留下没有缺陷的芯片产品。

至此，我们日常所必需的芯片就诞生了。

审核编辑 ：李倩