一文了解芯片的制作过程

现代生活中，人们已被各种电子设备围绕，

手机、电脑、电视……

那么，这些电子设备是靠什么运作的呢？

答案就是芯片！

简单来说，芯片之于电子设备的地位等同于发动机之于汽车，而制备芯片的原材料，就是最普通不过的石英砂。

沙子与芯片含量最多的元素都是硅，一吨沙不过几十元，一颗几十克的CPU芯片往往能卖到数千块，价格千差万别，这就是沙的逆袭。

在实际的生产中，我们通常将二氧化硅还原成单晶硅，但是这个过程难度很高，因为实际用到的晶圆纯度很高，然后拉出单晶硅晶棒，再到最后切割成一片薄薄的晶圆。再经过晶圆涂膜、光刻显影蚀刻、离子注入、晶圆测试、封装等流程，芯片就制作完成了。

在整个芯片产业中，石英砂是最基础的原料，石英砂中的硅在地球表面储量约为28%（仅次于氧），硅在自然界并不稀缺，但硅的制成品芯片价值却堪比黄金。如果了解石英砂到芯片的整个过程，或许会明白它确实值这个价了。

芯片的制作

01石英砂

硅是地壳内第二丰富的元素，也是半导体制造产业的基础。

02硅熔炼

12英寸/300毫米晶圆级，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。下图展示的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）。

03单晶硅锭

整体基本呈圆柱形，重约100千克，硅纯度 99.9999％。

04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）。

05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。

06光刻胶（Photo Resist）

下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。

01光刻一：

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。

02光刻二：

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。

07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。

08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。

09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。

10光刻胶

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。

11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。

12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。

13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。

14电镀

在晶圆上电镀一层硫酸铜，将铜离子沉淀到晶体管上。铜离子会从正极走向负极。

15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。

16抛光

将多余的铜抛光掉，也就是磨光晶圆表面。

17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。

18溶解光刻胶

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。

19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）。

20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。

21单个内核

内核级别，从晶圆上切割下来的单个内核。

22封装

封装级别，20毫米/1英寸。衬底、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。散热片就是负责内核散热的了。

23等级测试

在芯片完成整个封装流程之后，封装厂会对其产品进行质量和可靠性两方面的检测。

质量检测主要检测封装后芯片的可用性，封装后的质量和性能情况，而可靠性则是对封装的可靠性相关参数的测试。经过测试才算制造完成。

24装箱

测试完毕后，就可以包装销售了。

至此，一块真正的芯片就这么诞生了。

制造好的芯片被广泛应用于

下游消费电子产品

汽车、电脑、手机甚至小家电内部都有一颗芯片

当我们打开手机

从开机的那一刻起

芯片就开始不停运转，接受各种指令

手机拉近了人与人的距离

提高了沟通效率

也实现了看视频、听音乐、打游戏等很多功能

丰富了人们的生活

大部分功能的实现都要归功于

内部这颗小小的芯片。

石英向芯片的逆袭也已完成，

石英与沙子，本是同根生

但最终在人类的极致熔炼、提纯，精雕细刻下

改变了命运。

审核编辑：汤梓红