來(lái)源：Me工程師
在上一篇文章中，我們探尋了芯片的本質(zhì)及發(fā)展歷程，知道了僅僅有半導(dǎo)體元器件還不夠，必須得是集成電路才能滿足生產(chǎn)實(shí)踐的需求。羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）說(shuō)起他發(fā)明集成電路技術(shù)的初衷，就是覺(jué)得手工把晶體管這種元器件一個(gè)個(gè)的焊到一起實(shí)在太麻煩了。要知道，當(dāng)時(shí)他焊的電路也就幾百個(gè)元件。現(xiàn)在的電路動(dòng)不動(dòng)可就是幾億、幾十億個(gè)器件，除了集成電路的形式，還真就沒(méi)別的好辦法。有了集成電路之后，我們就可以把電子設(shè)備做得非常小，還能通過(guò)技術(shù)升級(jí)不斷做得更小。如今，電路開關(guān)的尺寸已經(jīng)是納米級(jí)別了，也就是說(shuō)，在一塊一厘米見方的芯片里集成了100多億個(gè)晶體管，其復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們的想象。下面這個(gè)視頻采用動(dòng)畫效果展示了某公司22納米芯片的制造工藝。（22納米芯片制造工藝）一粒沙子是如何變?yōu)樾酒模恳曨l中的操作僅是 “點(diǎn)石成金”的部分環(huán)節(jié)，真實(shí)的工藝流程往往更加復(fù)雜。為了便于理解和記憶，我們可以將生產(chǎn)芯片的整個(gè)過(guò)程概括為3個(gè)階段——設(shè)計(jì)、加工和封測(cè)。
想蓋一座大樓，首先得有設(shè)計(jì)圖紙。不但要規(guī)劃好整體布局、外部造型、內(nèi)部布置和結(jié)構(gòu)荷載等，還得考慮每個(gè)細(xì)微處的建筑細(xì)節(jié)。反復(fù)論證，沒(méi)有問(wèn)題了，才能交由工程隊(duì)進(jìn)行施工建設(shè)。同樣，生產(chǎn)一款芯片也要先進(jìn)行設(shè)計(jì)，明確芯片的用途、規(guī)格和性能表現(xiàn)，經(jīng)過(guò)規(guī)格定義、系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、前端設(shè)計(jì)和后端設(shè)計(jì)4步才能輸出版圖（如圖1所示），再交給制造工廠按照?qǐng)D紙批量生產(chǎn)。
在上個(gè)世紀(jì)70年代初，芯片也就2000多個(gè)晶體管，版圖都是工程師用彩色鉛筆一根根線畫出來(lái)的，沒(méi)有使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。可今天的芯片動(dòng)不動(dòng)就有幾十億的晶體管，加上錯(cuò)綜復(fù)雜的連接線路，根本不是手工能夠完成的。每一個(gè)步驟都要用專門的軟件進(jìn)行處理，這個(gè)軟件就是EDA（Electronic design automation，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）。EDA不僅可以簡(jiǎn)化繪圖流程、自動(dòng)布局布線和綜合優(yōu)化，還能通過(guò)仿真計(jì)算來(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性。此外，EDA軟件會(huì)提供一些研發(fā)門檻較高的功能模塊，進(jìn)一步提升工作效率。正因如此，有人將EDA稱為“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠”、“芯片之母”。
使用EDA設(shè)計(jì)完版圖后，就可以對(duì)照版圖制作光罩（也稱光掩模版、掩膜版）。在圖1最右側(cè)，可以看到版圖中有藍(lán)、紅、綠、黃等不同顏色，每種顏色就對(duì)應(yīng)著一張光罩。光罩制作成功則表明設(shè)計(jì)階段結(jié)束，可以進(jìn)行芯片加工了。圖2展示的是前面視頻中的一段工藝——如何用沙子制備晶圓裸片。看似不起眼的沙子富含二氧化硅，二氧化硅通過(guò)高溫加熱、純化、過(guò)濾等工藝，可從中提取出單晶硅。然后，經(jīng)特殊工藝鑄造為純度極高（99.9999％）的單晶硅錠，再根據(jù)用途將其切割成0.5mm~1.5mm厚度的薄片并拋光，即成為加工芯片的基本材料——硅晶圓片，簡(jiǎn)稱“晶圓”（Wafer）。目前，主流的晶圓直徑為12英寸（約300毫米）。尺寸越大，制造難度越高，上面最終能夠加工出來(lái)的芯片也就越多。由于此時(shí)的晶圓上還沒(méi)有集成電路，為了與后面的成品進(jìn)行區(qū)分，一般稱作“晶圓裸片”或“硅片”。
接下來(lái)要對(duì)晶圓裸片進(jìn)行光刻，也就是把光罩上的版圖信息“刻”到晶圓裸片上，形成電路。如圖3所示，光刻的基本原理類似于給貨車車身噴涂號(hào)碼（或在路面噴涂交通標(biāo)志圖案）。人們使用一個(gè)鏤空的號(hào)碼牌作為模板，對(duì)著這個(gè)模板噴涂料。透過(guò)挖空的字母或數(shù)字部分，涂料會(huì)噴到車身上；而模板上沒(méi)挖空的部分，自然就擋住了涂料。最終的效果就是，車牌號(hào)碼被清晰地印到貨車身上了。
圖 3? ?對(duì)晶圓裸片進(jìn)行光刻這個(gè)挖空的號(hào)碼牌就對(duì)應(yīng)著設(shè)計(jì)階段的成果——光罩，噴涂料的過(guò)程對(duì)應(yīng)了刻蝕、摻雜、金屬沉積等復(fù)雜的加工步驟。這些步驟交替進(jìn)行，重復(fù)若干次，要在晶圓裸片上構(gòu)建出幾十層結(jié)構(gòu)，如同在夯實(shí)的地基上蓋一座摩天大樓一樣。目前最先進(jìn)的加工工藝，一共要用到80多張光罩，將近4000個(gè)步驟，每一步都要求非常高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，才能保證芯片的最終質(zhì)量和產(chǎn)量。
介紹光刻工藝就不得不提到其核心設(shè)備——光刻機(jī)。由于制造和維護(hù)都需要非常高的技術(shù)儲(chǔ)備，光刻機(jī)被稱為世界上最精密的儀器。目前掌握光刻機(jī)制造技術(shù)的廠商只有寥寥幾家，其中的王者就是荷蘭的ASML，中文名為阿斯麥。其最高端的EUV（Extreme Ultra-violet，極紫外）光刻機(jī)每年產(chǎn)量只有2到3臺(tái)，售價(jià)高達(dá)上億美金。經(jīng)過(guò)上述加工環(huán)節(jié)之后，一片晶圓上已經(jīng)有幾百顆芯片了，如圖4所示。由于工藝步驟太多，精細(xì)程度要求太高，不可避免地存在一些瑕疵，這就需要進(jìn)行晶圓測(cè)試。圖5最左邊展示的就是檢測(cè)設(shè)備通過(guò)探針接觸晶圓上的管腳，輸入信號(hào)檢測(cè)電路性能，進(jìn)而將不合格的晶粒（芯片）標(biāo)識(shí)出來(lái)。
接下來(lái)就是晶圓切片，即把整個(gè)晶圓切割成一塊塊的單個(gè)芯片。當(dāng)然，在此過(guò)程中會(huì)丟棄那些標(biāo)識(shí)有瑕疵的以及外觀破損的個(gè)體。挑選出來(lái)的單芯片會(huì)被固定到相應(yīng)的封裝基板上，用超細(xì)金屬絲連接單芯片上的接合焊盤和基板上的引腳，再注入塑封材料進(jìn)行保護(hù)，就完成了芯片的封裝。封裝完畢，還要再進(jìn)行一系列全面且復(fù)雜的測(cè)試，鑒別出每一塊芯片的關(guān)鍵特性，比如穩(wěn)定工作頻率、功耗、發(fā)熱情況等等，進(jìn)而劃分出不同的等級(jí)類型。之后，芯片成品就可以裝箱發(fā)售，走進(jìn)千家萬(wàn)戶了。
最后，我們?cè)僖蕴O果手機(jī)的處理器為例，鳥瞰一下芯片的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈：首先，在美國(guó)的加州完成設(shè)計(jì)；接著，在中國(guó)臺(tái)灣的臺(tái)積電進(jìn)行加工；然后，運(yùn)往馬來(lái)西亞封裝測(cè)試；芯片成品又被送到中國(guó)大陸的富士康工廠，和其它部件（顯示屏、攝像頭、電池等）組裝到一起；最后，由中國(guó)深圳的物流公司發(fā)往世界各地。還要考慮到：芯片設(shè)計(jì)的底層架構(gòu)是日本ARM公司的知識(shí)產(chǎn)權(quán)；臺(tái)積電最為關(guān)鍵的生產(chǎn)設(shè)備——光刻機(jī)，要從荷蘭的ASML采購(gòu)；刻蝕機(jī)來(lái)自中國(guó)的中微半導(dǎo)體和美國(guó)的泛林；光刻膠和大量的化學(xué)試劑主要由日本和韓國(guó)的公司生產(chǎn)。這樣看來(lái)，芯片產(chǎn)業(yè)算是全球化最為徹底的產(chǎn)業(yè)了。那么問(wèn)題來(lái)了，既然這個(gè)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)如此全球化了，為什么美國(guó)還能卡我們的脖子呢？咱們下一篇文章再進(jìn)行討論。原文鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg5MzM1NjY2Mg==&mid=2247484387&idx=1&sn=83be8ebf7578c4b79f27db74e928b328&chksm=c0315cfaf746d5ec22662132fecf7947a91774f65b181ea140bcfdb41680dd4c179aee42dfc4&scene=21#wechat_redirect