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你可知芯片是如何造出来的？

来源：羊城晚报

2020-09-23 13:26:06

　　被芯片包围的今天

　　你可知芯片是如何造出来的？

　　□撰文/供图刘植荣

　　今天，我们生活在被芯片包围的世界里，几乎所有电器和电子设备上都有芯片，就连诸如身份证、护照、银行卡、乘车卡、购物卡之类的凭证也离不开芯片。最近一段时间，国人对芯片格外关注，我们天天谈论芯片和使用芯片，可你知道芯片是怎么造出来的吗?

　　芯片的设计、制造与封装由不同公司完成

　　美国电子工程师杰克·基尔比1958年发明集成电路（芯片）后，在芯片生产初期都是“一条龙”，即设计、制造、封装都由一家公司完成。美国英特尔公司目前仍采取这种传统的芯片生产模式。

　　从20世纪80年代开始，芯片生产细化分工。设计公司不制造芯片，而是把设计好的集成电路交给芯片制造商代工；有的芯片制造商也不负责封装芯片，而是把加工好的晶圆交给芯片封装公司封装，完成芯片生产的最后一道工序。

　　英国ARM是世界上最大的芯片设计公司，也是微处理器的标准制定者。ARM设计的芯片在全球手机和平板电脑芯片市场中占95%的份额，电脑芯片占45%的份额，家用电器芯片占35%的份额，智能卡芯片占30%的份额，网络设备芯片占17%的份额，汽车芯片占10%的份额。

　　ARM并不是把自己设计的集成电路交给芯片制造商，而是把它卖给其他设计公司，其他设计公司对其进行有限的修改，然后选择一家芯片制造商代工。尽管一些芯片上印着各种商标，但这些芯片其实都是ARM设计的，专利权益归属ARM。

　　ARM设计的集成电路授权费通常在千万美元左右，每年的授权费占ARM总收入的三分之一。另外，芯片代工企业还要向ARM支付版税，版税税率是芯片价格的1%-2%，ARM总收入的一半来自这项版税。

　　芯片上有数以千亿计的电子元件，必须使用电子设计自动化软件EDA。EDA在芯片制造过程中起着决定性作用，芯片的功能和集成度，完全取决于EDA的设计能力。EDA基本上都来自美国的凯登、新思科技和明导三家公司。

　　中国台湾的台积电是世界上最大的芯片制造商，市场占有率超过55%。美国的英特尔、格罗方德，韩国的三星，中国台湾的联电也是世界上顶级的芯片制造公司，这些公司拥有众多芯片制造技术专利。

　　芯片是在晶圆上加工的，一片晶圆可加工出数千块芯片

　　半导体材料很多，但应用最多的还是硅，因为硅的熔点是1415摄氏度，高熔点可以抵抗芯片加工中的高温工艺。

　　只有高纯度的硅才能制造芯片，我们把纯度99.99%的金叫纯金（4个9），但制造芯片的硅的纯度至少要13个9。材料是芯片制造的基础，不掌握硅的提纯技术，造芯片就无从谈起。

　　有了高纯度硅，还要把它加工成硅锭，这个过程也叫晶体生长。在硅熔炉里拉出硅锭后要截掉两端，就像吃甘蔗那样“掐头去尾”，然后再把硅锭磨成纯圆。接着，就要把硅锭切割出定位边，为接下来的工艺提供加工的便利。定位边有的是沿着硅锭纵向切去一小条，形成矩形平面；有的是沿着硅锭纵向开出沟槽。

　　之后，就可以制备晶圆了。晶圆就是把硅锭切割成一片片的薄片，就像切香肠一样，然后在每片晶圆上加工出集成电路形成芯片。

　　一片晶圆上要加工出数百块甚至数千块相同的芯片，封装前才把晶圆上的芯片切割分开。这就好比是印钞票，在一张纸上印出很多面值相同的钞票，然后再把它们切割开来。

　　晶圆（硅锭）直径越大越好，这样可以一次加工出更多的芯片。还有，晶圆直径大，上面不可用的边缘芯片与全部芯片（可用芯片与边缘芯片之和）的比率就低，可用芯片产出率就高，通俗地说，就是下脚料少。晶圆直径和光刻机的工艺制程一样，代表着芯片制造技术水平。目前，直径450毫米的晶圆已成为主流，而5纳米制程的光刻机已开始广泛应用。

　　制程代表能在晶圆上制作的电子元件的大小，制程越小，制造出来的芯片就越高级。一般尺子上的最小刻度是毫米，1毫米等于1000微米，1微米等于1000纳米，1纳米等于10埃。人的头发直径是7万纳米，周长是22万纳米。用制程5纳米工艺制造芯片，就好比沿着一根头发修建4.4万条公路。

　　晶圆切割下来后还要磨片，就是把晶圆表面磨成光学平面，确保光刻时能准确聚焦。为避免晶圆在运输中以及将来加工中受损伤，还要对晶圆表面进行氧化，氧化后的晶圆就可以打包发运到芯片制造商那里去了。

　　芯片是用掩模版“照”出来的，类似用底片冲印照片

　　最近，光刻机几乎成了家喻户晓、妇孺皆知的名词，不少人误认为芯片是“刻”出来的。其实，芯片不是“刻”出来的，而是“照”出来的，这和用底片印照片一样。传统照相，把曝光冲洗后的底片在暗室里用放大机投影到相纸上，通过显影、定影就印出照片来了。光刻就是让光线透过掩模版，投影到晶圆上，被曝光的晶圆经过在化学药液里一系列化学反应，形成集成电路图形。

　　掩模版的制备和光刻芯片的工艺相同，也需要光刻机，只是材质以及曝光法和蚀刻药液不同而已。

　　1955年开始，贝尔实验室的朱尔斯·安德鲁斯和沃尔特·邦德研发出芯片光刻工艺。1958年，美国仙童公司制造出世界上第一台光刻机。1961年，美国GCA公司开始批量制造商业化的光刻机。目前，世界上只有4个国家的7家公司可以制造光刻机，即荷兰的阿斯麦尔，美国的英特尔、超科技半导体、鲁道夫，日本的尼康、佳能，德国的速思微科。

　　掩模版是在石英基片（或玻璃基片）上镀上一层薄薄的铬膜，然后在铬膜上涂抹光刻胶。用EDA把集成电路图设计出来后，生成光刻机可识别的掩膜版图形文件，用电子束直接读取图形文件，对石英基片上的光刻胶非接触曝光，再经过一系列的化学药液处理，让曝光区域的光刻胶溶解脱落，暴露出下面的铬膜。接着，用化学药液把露出的铬膜蚀刻掉，就形成了透光区域，而受光刻胶保护的铬膜不会被蚀刻，形成不透光区域，这些不透光的图形就是集成电路图形，也就是晶体管、二极管、电阻、电容、熔丝等电子元件和连接它们的导线。

　　掩模版好比是投影仪里的LCD或DLP显示屏，光源光线把显示屏上的图像投射到幕布上，不同的是，光刻机的光源光线通过掩模版投射到晶圆表面的光刻胶上，和传统照相用底片冲印照片一样，一块掩模版可以“照”出成千上万的芯片来。

　　把晶圆加工成芯片，60%的时间处于光刻阶段

　　现在，我们就看看芯片是怎么被“照”出来的。

　　为满足不同工艺需要，掩模版有两种类型。如果掩模版上的集成电路图形是不透光的，而背景区域是透光的，则称之为亮场掩模版；反之，如果掩模版上的集成电路图形是透光的，而背景区域是不透光的，则称之为暗场掩模版。用亮场掩模版光刻就叫负胶光刻，用暗场掩模版光刻就叫正胶光刻。两种光刻工艺完全一样，只是用的光刻胶和化学药液不同而已。为节省篇幅，我们仅以亮场掩模版为例介绍晶圆的光刻过程。

　　光刻机光源的光线照射掩模版，掩模版上的集成电路图形是不透光的，光线只能透过背景区域对晶圆上的光刻胶曝光。光刻胶本来是可溶物质，但曝光后就变成了不可溶物质，通过化学药液把可溶物质溶解掉，再经过清洗，集成电路图形就凹陷在光刻胶里。

　　上文已述，晶圆表面有一层氧化层保护膜，集成电路图形就是在这层保护膜上形成的，现在，还要用化学药液蚀刻掉这层保护膜。曝光后的光刻胶是抗蚀刻的，能保护其下面的氧化层，此时的蚀刻只去掉集成电路图形下面的氧化层。

　　蚀刻后，就可以把晶圆上剩余的光刻胶剥离了。这时，集成电路就永久留在晶圆表面了。但这只是集成电路图，还不能称其为芯片，因为此时还不能形成“PN结”等电性功能，必须经过离子注入、扩散等若干工艺后才能形成芯片。

　　为提高芯片产出的合格率，高端光刻机不再给整块晶圆一次性曝光，而是对每块集成电路依次曝光，所以，光刻机的英文就是“Stepper”，其本意就是“一步一步曝光”的意思。

　　需要说明的是，不是对晶圆的一次光刻就可以加工好芯片，而是要经过多次光刻，如阻挡层、导电层等都需要光刻。晶圆光刻后，还要对晶圆的背面进行研磨，减薄晶圆，芯片的厚度不超过75微米，以便于切割封装。

　　美国加州大学物理学教授理查德·费曼提出了芯片三维制作理论，就是在一块晶圆平面的垂直方向，向上叠堆多层集成电路。对多层集成电路而言，就要对一片晶圆进行几十次甚至几百次光刻。晶圆加工的每一道工艺还细分成若干道子工艺，而且每道工艺完成后都要检测，检测晶圆常用的原子力显微镜检测灵敏度高达1埃（0.1纳米）。

　　综上，把一片晶圆加工成芯片需要几个星期的时间，其中60%的时间处于光刻阶段。

　　芯片加工区无人无灯光，一个病毒也不允许存在

　　芯片制造代表世界上最顶尖的科技水平，不但对技术和设备有很高的要求，对车间环境要求也极高。

　　芯片加工区的工作人员从头到脚全身防护，有的防护服甚至自带呼吸系统，就像宇航员一样，以防人体新陈代谢的脱落物和呼出的气体污染芯片。而光刻、蚀刻、离子注入等工艺是在真空下进行的。别说尘埃，就是病毒也不允许存在，因为一般病毒有100纳米大小，而芯片上的电子元件仅有几纳米，一个病毒就让整块芯片报废！

　　在晶圆加工过程中需要大量高纯度水，要求25摄氏度时水的电阻大于1800万欧姆，一个芯片厂每天要用几万吨高纯度水，水的净化费用在芯片生产成本中占很大比重。

　　所以说，就是弄到芯片制造的全套技术和设备，加工环境不达标，照样造不出芯片来。

　　为避免人为因素造成的加工瑕疵，确保芯片品质的一致性，芯片制造自动化程度越来越高，基本做到了车间无人无灯光，按一下按钮，晶圆便自动进入工艺加工区，从一个工艺区到另一个工艺区自动完成，工作人员听到信号把加工包装好的晶圆取走就是了。

　　可能有读者会问：晶圆加工好了究竟是个啥样子？

　　芯片生产属于微观世界，加工好的晶圆被光线折射得斑驳陆离，肉眼是看不到上面的集成电路的。如果把加工好的晶圆放在显微镜下观看，它就像一座城市，上面的每块芯片就是一个巨大的街区，上面的电子元件就是建筑，导线就是建筑之间的空地，而芯片之间的切割线就像是城市的街道。

　　芯片被封装在保护壳内，芯片占半导体市场的86.6%

　　从上文论述可知，芯片是对晶圆加工而成的，一片晶圆上可有数千块芯片。芯片封装公司首先要把加工好的晶圆切割成独立的芯片，把边缘不能用的芯片剔除，然后对每块芯片进行测试，把测试合格的芯片封装在保护壳内，并焊接好引脚系统，然后再进行最后检测，检测合格后投入市场。从晶圆到芯片封装到最后检测，芯片在整个生产过程的合格率在78%左右。

　　一般人是看不到芯片本身的，看到的是芯片封装外壳，因为芯片太纤薄，必须密封保护起来，并引出引脚后才能与外部电路连接。

　　芯片生产所需材料都是高科技材料，材料费用占芯片总成本的38%。芯片生产的设备昂贵，使用寿命短，设备折旧占芯片总成本的35%。

　　以上讲的是芯片生产的工艺流程，这只是概念上的流程，实际生产要复杂得多。在指甲盖大小的芯片上加工出数千亿甚至上万亿个电子元件，还要把它们用导线连接起来，让它们按设计要求协调运行，其工艺复杂、精密程度超乎一般人的想象。

　　在整个半导体产业中，芯片占九成份额。根据世界半导体贸易协会的统计，2017年全球半导体贸易额为4122亿美元，其中芯片为3527亿美元，占86.6%，剩余的是分立电子元件。在芯片市场中，储存芯片占34.8%，逻辑电路占29%，微处理器占18%，模拟电路占15%。