今天就從制造端來聊聊——芯片是如何誕生的。

01從沙子到單晶硅棒

從一把可以隨手揚起的沙子，到各行各業不可或缺的芯片，需要經歷成百上千道加工程序。其中第一步，就是先把沙子變成單晶硅。

沙子主要成分是二氧化硅，芯片所需的硅元素就蘊含其中。

但要真正地制造芯片，對硅原料的純度要求就非常高了——平均100W個硅原子中最多只能有1個雜質原子。

所以就需要對沙子進行反復多次提純，然后在高溫下通過區熔或直拉工藝，在爐膛中整形或提拉，然后得到硅單晶體棒（單晶硅棒），純度要求達到99.9999%。

02從單晶硅棒到晶圓

得到單晶硅棒后，進行橫向切割就能得到許多圓柱形的單晶硅片。這個硅片，就是我們常說的晶圓（Wafer）。

晶圓直徑越大，制造難度越大，能夠切割出來的芯片也越多。目前主流的晶圓直徑是12英寸（大概30cm）。

切片之后還需要經過研磨、拋光、清洗工序，讓晶圓片的表面比鏡面還要潔凈平整，以便于后續刻制電路。

到這一步，我們只是為建造芯片打好了“地基”，離芯片本身還差得很遠，接下來才是匯集最先進技術的加工步驟。

03從晶圓到芯片

集成電路，顧名思義就是把設計好的電路以堆疊的形式集成在一起，就像建造城市一樣。

這也就是為什么業內常說造芯片就像蓋房子。

如何把設計好的電路版圖實現在晶圓片上？這其中涉及的步驟就比較多了。

1.光刻

光刻是芯片制造中非常重要的一個工藝程序，也是決定了芯片集成度的核心工序。

在進行光刻之前，需要在晶圓上涂抹液態光刻膠，這一步也叫勻膠。這樣做可以讓光刻膠變得薄且平。

光刻膠層透過掩模被曝光在紫外線之下，變得可溶，掩模上印著預先設計好得電路圖案，紫外線透過它照在光刻膠層上，就會形成每一層電路圖形。這個原理和老式膠片曝光類似。

也就是說，要通過勻膠、前烘、曝光、顯影、堅膜等一系列步驟，把晶圓表面薄膜的特定部分去除，留下帶有微圖形結構的薄膜。這樣一來，設計好的電路圖形就能從光刻板上轉移到晶圓表面的光刻膠上。

這就要求光刻設備要具備非常高的圖形分辨率和靈敏度，并且保證缺陷度低。

一般情況下，在半導體器件制造整個過程中會進行很多次光刻流程，生產復雜一些的集成電路可能需要進行多達50步光刻。

2.刻蝕

刻蝕和光刻的聯系非常緊密。

刻蝕就是通過化學反應或物理作用，把晶圓上沒有被光刻膠覆蓋的部分去除掉，只留下一個一個的凹槽（也就是所需要的電路結構）。

刻蝕技術主要分為干法刻蝕與濕法刻蝕。干法刻蝕主要利用反應氣體與等離子體進行刻蝕；濕法刻蝕主要利用化學試劑與被刻蝕材料發生化學反應進行刻蝕。

3.摻雜

擴散和離子注入都是主要的摻雜工藝。

這一步就是可控數量的所需雜質摻入到晶圓的特定區域里，改變半導體的電學性能，使導電的性能增大增強，最后形成N區或P區。

在刻蝕和離子注入完成后，光刻膠的使命就完成了，將光刻膠清除后就可以得到設計好的電路圖案。到此為止，晶體管基本就已完成。

接下來還會進行磨平、形成電極、晶圓測試等步驟。之后，就要對晶圓進行切割，形成一顆一顆的die。

04把芯片封裝起來

其實我們平時常見的芯片，都是通過封裝之后的得到的芯片產品。

封裝就是把芯片的焊區和封裝的外引腳互連，然后再使用絕緣材料外殼把芯片打包起來。

這樣做一方面可以防止芯片受損，起到保護芯片性能、便于運輸的作用，另一方面也可以通過互連，把芯片組件/電路模塊連接起來。

接下來就是芯片測試環節，通常包括老化測試、成品檢測和可靠性測試，通過測試會將不良品剔除掉，留下沒有缺陷的芯片產品。

至此，我們日常所必需的芯片就誕生了。

審核編輯 ：李倩