一文了解芯片的制作過(guò)程

現(xiàn)代生活中，人們已被各種電子設(shè)備圍繞，

那么，這些電子設(shè)備是靠什么運(yùn)作的呢？

答案就是芯片！

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，芯片之于電子設(shè)備的地位等同于發(fā)動(dòng)機(jī)之于汽車，而制備芯片的原材料，就是最普通不過(guò)的石英砂。

沙子與芯片含量最多的元素都是硅，一噸沙不過(guò)幾十元，一顆幾十克的CPU芯片往往能賣到數(shù)千塊，價(jià)格千差萬(wàn)別，這就是沙的逆襲。

在實(shí)際的生產(chǎn)中，我們通常將二氧化硅還原成單晶硅，但是這個(gè)過(guò)程難度很高，因?yàn)閷?shí)際用到的晶圓純度很高，然后拉出單晶硅晶棒，再到最后切割成一片薄薄的晶圓。再經(jīng)過(guò)晶圓涂膜、光刻顯影蝕刻、離子注入、晶圓測(cè)試、封裝等流程，芯片就制作完成了。

在整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)中，石英砂是最基礎(chǔ)的原料，石英砂中的硅在地球表面儲(chǔ)量約為28%（僅次于氧），硅在自然界并不稀缺，但硅的制成品芯片價(jià)值卻堪比黃金。如果了解石英砂到芯片的整個(gè)過(guò)程，或許會(huì)明白它確實(shí)值這個(gè)價(jià)了。

芯片的制作

01石英砂

硅是地殼內(nèi)第二豐富的元素，也是半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。

02硅熔煉

12英寸/300毫米晶圓級(jí)，通過(guò)多步凈化得到可用于半導(dǎo)體知道質(zhì)量的硅，學(xué)名電子級(jí)硅（EGS），平均每一百萬(wàn)個(gè)硅原子中最多只有一個(gè)雜質(zhì)原子。下圖展示的是如何通過(guò)硅凈化熔煉得到大晶體的，最后得到的就是硅錠（ingot）。

03單晶硅錠

整體基本呈圓柱形，重約100千克，硅純度 99.9999％。

04硅錠切割

橫向切割成圓形的單個(gè)硅片，也就是我們常說(shuō)的晶圓（Wafer）。

05晶圓

切割出的是晶圓經(jīng)過(guò)拋光后變得幾乎完美無(wú)瑕，表面甚至可以當(dāng)鏡子。事實(shí)上，intel自己并不生產(chǎn)這種晶圓，而是從第三方半導(dǎo)體企業(yè)那里直接購(gòu)買成品，然后利用直接的生產(chǎn)線進(jìn)一步加工。

06光刻膠（Photo Resist）

下圖中藍(lán)色部分就是在晶圓旋轉(zhuǎn)過(guò)程中澆上去的光刻膠液體，類似制作傳統(tǒng)膠片的那種。晶圓旋轉(zhuǎn)可以讓光刻膠鋪的非常薄、非常平。

01光刻一：

光刻膠層隨后透過(guò)掩模（Mask）被曝光在紫外線（UV）之下，變得可溶，期間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)類似按下機(jī)械相機(jī)快門那一刻膠片的變化。掩模上印著預(yù)先設(shè)計(jì)好的電路圖案，紫外線透過(guò)它照在光刻膠層上，就會(huì)形成微處理器的每一層電路圖案。一般來(lái)說(shuō)，在晶圓上得到的電路圖案是掩模上圖案的四分之一。

02光刻二：

由此進(jìn)入納米尺寸的晶體管級(jí)別。一塊晶圓上可以切割出數(shù)百個(gè)處理器，不過(guò)從這里開始把視野縮小到其中一個(gè)上，展示如何制作晶體管等部件。晶體管相當(dāng)于開關(guān)，控制著電流的方向?，F(xiàn)在的晶體管已經(jīng)如此之小，一個(gè)針頭上就能放下大約3000萬(wàn)個(gè)。

07溶解光刻膠

光刻過(guò)程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉，清除后留下的圖案和掩模上的一致。

08蝕刻

使用化學(xué)物質(zhì)溶解掉暴露出來(lái)的晶圓部分，而剩下的光刻膠保護(hù)著不應(yīng)該蝕刻的部分。

09清除光刻膠

蝕刻完成后，光刻膠的使命宣告完成，全部清除后就可以看到設(shè)計(jì)好的電路圖案。

10光刻膠

再次澆上光刻膠（藍(lán)色部分），然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻膠還是用來(lái)保護(hù)不會(huì)離子注入的那部分材料。

11離子注入（ion implantation）

在真空系統(tǒng)中，用經(jīng)過(guò)加速的，要摻雜的院子的離子照射（注入）固體材料，從而在被注入的區(qū)域形成特殊的注入層，并改變這些區(qū)域的硅的導(dǎo)電性。經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速后，注入的離子流的速度可以超過(guò)30萬(wàn)千米每小時(shí)。

12清除光刻膠

離子注入完成后，光刻膠也被清除，而注入?yún)^(qū)域（綠色部分）也已摻雜，注入了不同的原子。注意這時(shí)候的綠色和之前已經(jīng)有所不同。

13晶體管就緒

至此，晶體管已經(jīng)基本完成。在絕緣材(品紅色)上蝕刻出三個(gè)孔洞，并填充銅，以便和其它晶體管互連。

14電鍍

在晶圓上電鍍一層硫酸銅，將銅離子沉淀到晶體管上。銅離子會(huì)從正極走向負(fù)極。

15銅層

電鍍完成后，銅離子沉積在晶圓表面，形成一個(gè)薄薄的銅層。

16拋光

將多余的銅拋光掉，也就是磨光晶圓表面。

17金屬層

晶體管級(jí)別，留個(gè)晶體管的組合，大約500納米。在不同晶體管之間形成復(fù)合互連金屬層，具體布局取決于相應(yīng)處理器所需要的不同功能性。芯片表面看起來(lái)異常平滑，但事實(shí)上可能包含20多層復(fù)雜的電路，放大之后可以看到極其復(fù)雜的電路網(wǎng)絡(luò)，形如未來(lái)派的多層高速公路系統(tǒng)。

18溶解光刻膠

內(nèi)核級(jí)別，大約10毫米/0.5英寸。圖中是晶圓的局部，正在接受第一次功能性測(cè)試，使用參考電路圖案和每一塊芯片進(jìn)行對(duì)比。

19晶圓切片（Slicing）

晶圓級(jí)別，300毫米/12英寸。將晶圓切割成塊，每一塊就是一個(gè)處理器的內(nèi)核（Die）。

20丟棄瑕疵內(nèi)核

晶圓級(jí)別。測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的有瑕疵的內(nèi)核被拋棄，留下完好的準(zhǔn)備進(jìn)入下一步。

21單個(gè)內(nèi)核

內(nèi)核級(jí)別，從晶圓上切割下來(lái)的單個(gè)內(nèi)核。

22封裝

封裝級(jí)別，20毫米/1英寸。襯底、內(nèi)核、散熱片堆疊在一起，就形成了我們看到的處理器的樣子。襯底相當(dāng)于一個(gè)底座，并為處理器內(nèi)核提供電氣與機(jī)械界面，便于與PC系統(tǒng)的其它部分交互。散熱片就是負(fù)責(zé)內(nèi)核散熱的了。