前言：本文以芯片工作和制造過程的原理為主，都是最基礎(chǔ)的知識，估計80%的讀者能夠看懂本文。
我們現(xiàn)在使用的電腦和手機(jī)、電視、冰箱、洗衣機(jī)等家電，和工廠中的全部機(jī)器和設(shè)備中的控制系統(tǒng)，如果我們把它拆開，都會看到類似下面這樣的印制電路板，印制電路板上有多個電容、電阻、電感等電子元器件，注意下圖的黑色的方形元件。
印制電路板
將印制電路板放大，中間黑色的方形元件這就是我們常說的芯片。
印制電路板上的芯片
芯片是什么？芯片其實是半導(dǎo)體元件產(chǎn)品的統(tǒng)稱，不太嚴(yán)格的說集成電路就是芯片。芯片是包含了一個或多個集成電路的、能夠?qū)崿F(xiàn)某種特定功能的通用半導(dǎo)體元件產(chǎn)品。
我們看到的芯片需要通過一個叫“封裝”的制作步驟，裝到一個外殼里保護(hù)起來。芯片可以做到很小，比手指間還小的多。
芯片可以做到很小
1-芯片的基本構(gòu)造：
芯片的構(gòu)造如下圖
芯片的構(gòu)造
我們把封裝的外殼拿掉，才能真正看到芯片的內(nèi)部核心，用顯微鏡放大。
用顯微鏡放大芯片
上圖中，外圍一圈像斑馬線的，是引腳（針腳）。而分散開來的細(xì)細(xì)的線，是引線。中間方形的部分，才是芯片真正的電路，是芯片的核心部分，我們將其繼續(xù)放大來看。
繼續(xù)放大芯片，就能看到電路
密密麻麻的似乎有點不明所以，換成3D圖形，原理如下。
IC 芯片的 3D 模型圖
從上圖中芯片的 3D 剖面圖來看，底部深藍(lán)色的部分就是晶圓。紅色的部分是邏輯閘層，即晶體管，它是整顆個芯片中最重要的部分，將多種邏輯閘組合在一起，完成功能齊全的 芯片。黃色的部分都是連線，功能是將紅色部分的晶體管連接在一起，起到數(shù)據(jù)傳遞的作用。
2-芯片的工作原理：
芯片的基本組成元素即半導(dǎo)體PN結(jié)，一個由半導(dǎo)體材料硅作為基片，采用了不同的摻雜工藝，在硅中摻雜了其它元素，形成了P型半導(dǎo)體（摻雜硼）和N型半導(dǎo)體（摻雜磷），二者的交界面形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，只能P型接正極，N型接負(fù)極，才可以導(dǎo)電；反之無法導(dǎo)電。
當(dāng)我們將若干PN結(jié)組裝在一起形成晶體管后，晶體管可以實現(xiàn)電信號的放大和開關(guān)等作用。我們再將若干晶體管組合在一起就可以實現(xiàn)一定的邏輯門“與”、“或”、“非”（見下圖），這些邏輯門最終輸出的結(jié)果就可以轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制的數(shù)字信號“0”和“1”。
半導(dǎo)體PN結(jié)、邏輯門的原理，這是電子技術(shù)的入門知識
通過電信號控制晶體管里面的開關(guān)，進(jìn)而控制電路的通斷。一秒內(nèi)實現(xiàn)開關(guān)幾百萬次甚至更多，產(chǎn)生大量的0 和 1，轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制進(jìn)行計算、存儲等，以上就是芯片實現(xiàn)計算、邏輯、存儲等的基本原理。
晶體管原理圖
芯片里的晶體管的結(jié)構(gòu)由柵極、源極、漏極、半導(dǎo)體硅晶圓襯底等構(gòu)成。工作原理：柵極類似于控制“按鈕”，當(dāng)我們給柵極加一個電壓，源極和漏極就會導(dǎo)通，電子就可以通過。電壓消失，通道也跟著消失。
3-芯片制造流程大致是，提煉和制作晶圓—制作掩膜版—光刻—刻蝕—離子注入—鍍銅 —測試和封裝，接下來逐一介紹芯片的制造過程：
3-1制作晶圓：
3-1-1提煉沙子，制成多晶硅：芯片制造的第一步是從沙子開始的，這種沙子硅含量很高的硅石，主要成分和沙子一樣是二氧化硅，經(jīng)過熔煉得到純度約為98%-99%的冶煉級工業(yè)硅。然后進(jìn)一步提純，可以得到硅純度可以高達(dá)99.999999999%的多晶硅，一共11個九的硅棒。
提煉沙子，制成多晶硅
3-1-2制作單晶硅：我們的芯片需要的是晶格均勻、連續(xù)、電學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的單晶硅，因此要把多晶硅棒，制作成鏡面的單晶硅，目前主流制法采用柴克拉夫斯基法。具體做法見下圖（流程從左到右），加熱熔化高純度多晶硅，形成硅溶液。然后將一條細(xì)小的單晶硅作為引子進(jìn)入硅溶液，再緩慢地向上旋轉(zhuǎn)提拉，被拉出的硅溶液，因為溫度梯度下降會凝固成固態(tài)硅柱。
制作單晶硅過程
這個過程有點像將將火腿腸放入加熱的蜂蜜中，然后取出火腿腸，蜂蜜就凝固在火腿腸上。成型的硅柱尺寸越大，最終切割成的硅片尺寸也就越大，同一晶圓上可生產(chǎn)的集成電路就越多。
3-1-3制作晶圓硅片：硅柱后續(xù)被切割成圓片，然后再進(jìn)行磨光、研磨、拋光、清洗等工序，最終得到厚度小于1mm的硅片。我們經(jīng)常看到的8寸、12寸，也就是晶圓片的直徑尺寸，尺寸越大對技術(shù)要求越高，整體的芯片制造成本越低。
成品晶圓硅片
3-2 光刻技術(shù)：
3-2-1第一步，先準(zhǔn)備好光刻掩膜版。
光刻掩膜版簡稱掩模，是光刻工藝所使用的圖形母版，是采用微納加工技術(shù)制作的，掩模上承載有設(shè)計好的微電路圖形，光線透過它的鏤空部分，把設(shè)計圖形透射在光刻膠上。掩膜版的作用類似于照相中的底片，或者像印鈔機(jī)中鈔票的母版。
掩膜版
芯片的光刻工藝精度越高，則掩膜版層數(shù)的越多，這是因為使用一層掩膜版曝光轉(zhuǎn)移圖案不夠清晰，多曝光幾次圖案就更加清晰。制作40nm（納米）的芯片時，轉(zhuǎn)移圖案的過程中，需要使用到40層左右的掩膜版；到了14nm的時候，會使用到60層的掩膜版；而到了7nm，至少需要80層的掩膜版。
掩膜版透光原理
3-2-2第二步，晶圓硅片上涂光刻膠。
首先按照a圖在晶圓硅片表面涂上一層光刻膠，再按照b圖烘干。光刻膠是能把光影化為實體的一種膠體，只要被特定波長的光照射就會疲軟，可以被溶解和清除。光刻膠的作用有點類似于的照相技術(shù)中的膠卷。
晶圓硅片涂上光刻膠，烘干
3-2-3第三步，最為關(guān)鍵的光刻工藝。
將硅晶圓放置在在光刻機(jī)上，光線透過掩模上的鏤空部分（即事先設(shè)計好的電路圖），把掩模上的圖形投影在晶圓表面的光刻膠上，實現(xiàn)曝光，激發(fā)光化學(xué)反應(yīng)。對曝光后的晶圓進(jìn)行第二次烘烤，使得光化學(xué)反應(yīng)更充分。最后，把顯影液噴灑到晶圓表面的光刻膠上，對曝光圖形顯影，于是掩模上的圖形就被存留在了光刻膠上。
光刻工作原理
光學(xué)透鏡的作用是：可以聚集衍射光提高成像質(zhì)量，在光刻技術(shù)中為得到盡可能小的圖案，在掩模板和光刻膠之間采用了一種具有縮小倍率的投影成像物鏡。
上述過程后，沒有被掩模遮擋的光在顯影液作用下會使硅晶圓上的光刻膠脫落，就是我們需要的電路；而硅晶圓上被掩模遮擋光線的部分，光刻膠會遺留在硅晶圓表面，能起到保護(hù)硅晶圓的作用，這就是刻蝕過程。
刻蝕工藝原理
在整個光刻工藝過程中，涂膠、烘烤和顯影都是在勻膠顯影機(jī)中完成的，曝光也是在光刻機(jī)中完成的。勻膠顯影機(jī)和光刻機(jī)一般都是聯(lián)機(jī)作業(yè)的，晶圓通過機(jī)械手在各單元和機(jī)器之間傳送。整個曝光顯影系統(tǒng)是封閉的，晶圓不直接暴露在周圍環(huán)境中，以減少環(huán)境中有害成分對光刻膠和光化學(xué)反應(yīng)的影響。
光刻工藝可以通俗一點的解釋：光透過掩模，經(jīng)過透鏡聚焦，將掩模上的圖案縮小到納米級別投影在硅晶圓中，形成電路，這類似于我們拍攝照片的過程；而光刻工藝中的刻蝕過程，有點類似于我們沖洗照片的過程。
3-3 離子注入：
光刻完成后，在硅晶圓的不同位置加入不同的雜質(zhì)，不同雜質(zhì)根據(jù)濃度/位置的不同就組成了場效應(yīng)晶體管。我們在離子注入機(jī)中，將硅晶圓中植入離子，生成相應(yīng)的P型半導(dǎo)體（摻雜硼）、N型半導(dǎo)體（摻雜磷）。為此也要先進(jìn)行光刻，把不想注入離子的區(qū)域用光刻膠貼膜保護(hù)。
離子注入原理
具體工藝是從硅片上暴露的區(qū)域開始，放入化學(xué)離子混合液中。這一工藝將改變攙雜區(qū)的導(dǎo)電方式，使每個晶體管可以通、斷、或攜帶數(shù)據(jù)。簡單的芯片可以只用一層，但復(fù)雜的芯片通常有很多層，這時候?qū)⒃摿鞒滩粩嗟闹貜?fù)，不同層可通過開啟窗口聯(lián)接起來。
3-4 電鍍：
在等離子注入之后，并穩(wěn)定下來形成晶體管之后，還會有一道工序，就是鍍銅，在硅基表面涂上一層銅。而在鍍銅之后，再次通過光刻、刻蝕等動作，將鍍上去的這一層銅切割成一條一條的線，這些線是按照芯片設(shè)計電路圖有規(guī)則的把晶體管連接起來的。
芯片鍍銅
而芯片的電路圖可能有幾十層，所以這樣的過程也會重復(fù)幾十次。
3-5 封裝、測試、包裝：
將制造完成晶圓固定，綁定引腳，按照需求去制作成各種不同的封裝形式，這就是同種芯片內(nèi)核可以有不同的封裝形式的原因。
經(jīng)過上述工藝流程以后，芯片制作就已經(jīng)全部完成了，將芯片進(jìn)行測試、剔除不良品，以及包裝。
封裝后的成品芯片
4- 芯片制造的最大難點：
我們常常說的芯片納米是指制造芯片的制程，即晶體管電路的尺寸，單位為納米(nm)。
從上面芯片制造流程看，光刻、刻蝕、離子注入、鍍銅這四個最重要的工藝流程，都是在光刻機(jī)上完成的。光刻機(jī)的精度決定了芯片中晶體管的大小，光刻機(jī)的精度越高，制造出的芯片晶體管越小，硅晶圓中的晶體管數(shù)量就越多，數(shù)據(jù)存儲量就越大。
一塊芯片中包含了至少上百億個晶體管
不僅如此，作為芯片投影用的母版，掩膜版的制造和芯片光刻流程很相似都要經(jīng)過光刻工藝，但比芯片的光刻工藝更難，也是要在板子上涂上光刻膠，然后用激光或電子束顯影，最后再進(jìn)行刻蝕，顯出電路圖形來。
光刻工藝是芯片制造中最核心的工藝
目前國內(nèi)自主研制的光刻機(jī)只有90nm的制程，而荷蘭ASML制造的最先進(jìn)EUV光刻機(jī)波長已經(jīng)達(dá)到13.5nm，可以做7nm、5nm、3nm、2nm、1nm制程的芯片。
光刻機(jī)基本原理
ASML可量產(chǎn)最新的 EUV 光刻機(jī)，售價高達(dá)1.2億美元一臺，最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)，單臺設(shè)備超過10萬個零件，4萬個螺栓，3000多條線路，軟管加起來就有兩公里長。設(shè)備重180噸，單次發(fā)貨需要動用40個貨柜，20輛卡車以及3架貨機(jī)才可以運完。同時將這些零件組裝起來需要1年時間，后續(xù)的參數(shù)設(shè)置，模塊調(diào)試時間又更長。
ASML的 EUV是世界上最先進(jìn)的光刻機(jī)
像三星、臺積電等芯片巨頭進(jìn)入10 納米制程后的難點是， 1 顆原子的大小大約為 0.1 納米，在 10 納米的情況下，一條線只有不到 100 顆原子，在制作上相當(dāng)困難，而且只要有一個原子的缺陷，像是在制作過程中有原子掉出或是有雜質(zhì)，就會產(chǎn)生不知名的現(xiàn)象，影響產(chǎn)品的優(yōu)良率。
全球芯片巨頭，第二名就是中國臺灣的臺積電
目前國產(chǎn)芯片制造狀況：
1）就像前面所說的，我們和世界先進(jìn)制造水平差距最大的，還是光刻機(jī)的母機(jī)制造。
2）作為原材料，國產(chǎn)硅晶圓技術(shù)已經(jīng)比較成熟，可以生產(chǎn)各類規(guī)格的晶圓，中國已經(jīng)從高純度硅晶圓進(jìn)口國變成了出口國。
3）作為電路母版，掩膜版的國產(chǎn)化率目前較低，主要集中在350nm~180nm掩膜版的生產(chǎn)制造，而40nm以下的高端掩膜版基本上被日本和美國企業(yè)所壟斷。
4）光刻膠作為耗材，也是被日美等少數(shù)廠商所壟斷，但是今年4月份國內(nèi)科研團(tuán)隊剛剛?cè)〉昧思夹g(shù)上的重大突破，期待能早日量產(chǎn)，縮小差距。
5）也有好的一面，我們的芯片封裝技術(shù)已經(jīng)達(dá)到4nm的世界先進(jìn)水平，且多個國內(nèi)廠家均能量產(chǎn)。
5）最重要的成品芯片納米制程，目前全世界最先進(jìn)的是臺積電和三星的5nm量產(chǎn)芯片技術(shù)，在落后多年的情況下，2024年中國全面突破技術(shù)封鎖，華為麒麟9000s的實現(xiàn)了7nm的量產(chǎn)工藝。
華為麒麟9000芯片
我們的日常家電、工控機(jī)和汽車上的中低端芯片的制造相對容易些，但是計算機(jī)服務(wù)器、手機(jī)、航空飛行器、火箭、衛(wèi)星等不僅有很高的技術(shù)要求，還受到空間限制，這些高端芯片要求具有體積小、存儲空間大、運算速度快等特點，目前正向3nm技術(shù)發(fā)展，這對我們提出了更高的要求。
北斗衛(wèi)星上的宇航級芯片，價格高達(dá)900萬人民幣
從沙子到芯片的復(fù)雜制造過程，十分復(fù)雜，一個指尖大小的芯片里面容納了幾百億～幾千億個晶體管，這本身就是一件不可思議的技術(shù)奇跡。而芯片制造中涉及到半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)、微電子技術(shù)、光電技術(shù)、納米技術(shù)、化工冶煉、微加工技術(shù)、薄膜制備技術(shù)、封裝測試技術(shù)......等多門類技術(shù)，是一個國家科技實力的綜合體現(xiàn)。
路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索。雖然我們的很多技術(shù)目前相對落后甚至還受制于人，但我們相信在未來十年之內(nèi)，中國的芯片技術(shù)一定會迎頭趕上。
希望我們的芯片制造像我們的高鐵技術(shù)一樣，未來取得令人嘆為觀止的飛速進(jìn)步
后記：本文之所以以芯片技術(shù)原理為主要內(nèi)容，而不是一味的對比國內(nèi)外技術(shù)差距，不僅是要讓更多的人具備基本常識，更主要的是幫助大家投入到愛國主義的實際行動中，而不是停留在空喊口號的階段。
這和三十年前一樣，我們誰都不曾預(yù)料到中國目前的基建和重裝制造已經(jīng)領(lǐng)先全球，那么我們的芯片產(chǎn)業(yè)，未來也是充滿了希望的。
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