业界资讯——10分钟让你知道芯片制造原理

说起芯片，大家总会有瞬雷不及掩耳盗铃儿小叮当的联想到电脑的CPU，智能手机芯片。稍加停顿后，回想起n多欧美大片的题材中，就是各种恐怖分子，倒卖飞弹芯片的剧情。电影里为什么一个小小芯片引起无数波澜，实则因为芯片这东西不好搞。一则芯片的设计逻辑及其复杂；二是芯片的制造也十分复杂；三则某些国对这些高精尖的东西是严格控制出口的，不要问为什么，人家有一万个理由，但结论就一个：不卖给你。

不是因为吃错药才聊芯片的，近期与芯片领域有一定的工作交集，很多人对芯片制造原理比较感兴趣，提出一些问题。快过年了，给大家分享一些小知识。

半导体简易扫盲（不需要扫盲的直接跳到“芯片制造原理及步骤简单说明”，然后10分钟内看完。半导体扫盲不属于标题范畴，要对得起标题）

芯片属于半导体范畴，什么是半导体？n多理工男都很清楚。不过对那些无背景的人简单说明一下。半导体顾名思义，介于导体和绝缘体之间东西。至于他的导电性怎么样，不同的半导体差异很大。如果导电性不可控，是没法使用的。同时也注定纯自然的情况下，可直接利用的半导体几乎没有。地球生物要想利用这些半导特性注定，只能自行制造。

基本来说，半导体制造原理都是往绝缘体中的材料，掺杂一些杂质后，整体的电属性会发生变化。那一个大家常见LED灯来说，这个LED全名叫发光二极管。读过上知天文下知地理的天国高中的大拿们都是知道二极管单向导电。这玩意居然能发光，很神奇啊。同时相对传统白炽灯通过电“燃烧”的方式进行发光方式相比，这个半导体发光亮度高，能耗小，耐用稳定性好等优点。当然不是每种半导体都能发光，类似这种发光的半导体特性，还有很多。具体特性会随着材料和制作工艺不同而不同。

有人问为什么这么神奇，本来不导电，掺入一些杂质的时候就表现这么多的差异化特性。再给大家简单科普一下，请看这张元素周期表，请看这个硅元素这一族。实际上纯硅是不导电的，是绝缘体。当掺入一些杂质，如少量磷元素后，就有变化了。磷原子最外层有5个电子(2-8-5)，硅有4个（2-8-4）。大家看看大量硅原子中掺入几个间谍后，为了维护团队和谐，磷的四个就和硅的4个电子共用一下，发现自己还多了一个电子。这个电子就变成社会的活跃分子，可以很容易的自由飞翔。他还有一个秘密，就是它带负电，他的自由移动就体现出他的导电性了。这下顺利由绝缘体变成半导体了。一般给这类半导体N型半导体（Negative,带负电）.另外还有一类与之对应的叫P型半导体（Positive）。再拿硅举例子，如果掺入类似硼原子，硼原子最外层有3个电子（2-3），同样为社会稳定，硼为了顺利打入硅原子群体，也想把自己变成4个电子，但实际上他只有3个，因此他只有做了强盗，抢外面的一个电子过来。这一抢，就会产生电子的移动，不知不觉就能导电了。大家都清楚半导体本身不带电的，且正负电荷要平衡的。因此这种抢电子带来的平衡，换种理解方式就是自身带正电，抢个电子来中和自己。大家习惯这种因为抢的特性的半导体称之为P型半导体（Positive，正电空穴）。而这种共用电子专业上称为共价。

半导体本身不带电的，由于他的材料和制造过程不一样他的电属性差异十分明显，同时研究发现，不同材料及制造工艺的的半导体，会伴随温度，光，湿度等等因素的变化，他的导电性也会发生规律性的变化。如果反向利用就可以通过识别半导体的电属性，感知环境啦。再来举个栗子，假如说存在一种半导体，在-50摄氏度，到50摄氏度时，他的电阻会发生规律性的变化。那么我们把这个电子放到自然环境中，通过检测他的电阻就知道当前环境的温度啦，大家是不是这个道理。当然这种规律性的变化也有他的适用范围，超过它能承受的极限，也就歇菜了。

扯了半天半导体和芯片什么关系？当然有关系啦。

上面的说P型和N半导体，简单来说就是一个往外扔电子，一个从外面抢电子。如果把它们结合在一起就是天生的好朋友啊，刚好互补对。同时也会发生神奇的现象，在他们集合处， P区抢了电子，表现出带负电荷，N区电子跑了，表现出来带正电荷。这个就会形成一个电场，从N区指向P区，刚好和电子狂奔的方向相反。最终会在某个程度形成一个平衡。(不禁想起老祖宗的阴阳平衡，简直是普世规律啊。有机会给大家再科普一下阴阳，五行。现在不插播广告) 。导电其实就是在电场下，什么离子啊，电子啊能运动起来，才来带着电跑，表现出来的就是导电了。可见要想导电，首先用一个更大的电场来打破这个平衡，那么如果在P端接正极，N端负极，刚好与形成的内部电场方向相反，由于外部的电场比较猛，可以先抵消内部电场，这样各类电子，离子什么的都是可以在电场的作用可以活动了，也就可以导电了。

如果N端接正极，P端接负极，相当于增强内部电场，平衡被扩大，在一定范围内时带电粒子被束缚，自然是不导电啦。但如果电压太大，会影响整个半导体的共价，整个社会稳定被打破，很多电子什么又可以到处跑了，整体又变成导体。又联想老祖宗的物极必反啊的道理。

刚才介绍的整个P型和N型半导的结合物，一般称为PN结，就是我们常见的二极管的原理了。可以利用的特性十分之多啊，像一定正向外部电压情况下，是单向导电，而加反向的就不通，可以表示数字0和1；加反向电压时，不超过可承受范围，可以当个电容用；反向电压过大时击穿PN接时又有好多特性可以利用。总之随着材料和工艺制作的不同，特性千变万化。像之前讲的有些二极管还可以发光，发不同颜色的光，神奇哦。

地球生物十分聪明，根据PN的原理，把P，N有效组合发明了NPN，PNP这种统称为三极管。三级管的原理就不介绍，有点小复杂。简单来说特性可以规律性放大电流和当做开关来用。作为80后年奋斗者，都见过小时候的收音机比较庞大。里边就有很多这种三极管。收音机之所以这么大就是因为那个年代制造工艺不行，但是半导体元器件太大，导致整个收音机体积巨大。一般把由半导体材料制作的各种特性的二极管，三极管等统称为晶体管。也有人经常说的晶体管大多指的就是三极管。

以前有个人叫赫兹，偶然发现了电磁波。大家是不是联想到波动频率的单位也是赫兹，没错就是为了纪念他。导体中的电流变化会产生电磁波，电磁波在传输过程中，遇到导体又会产生感应电流。假设不同频率的电流可以承载不同信息，经过电磁波传输，形成感应电流，在通过放大，进行反向获取信息，类似这类一般称为模拟信号。当然可以看出这类信号，是对程度的量化，映射承载信息，如果环境对它有些干扰，传递的信息可能完全不那么回事。

在二进制中只有0和1，晶体管的断开和闭合就可以表示。这类完全是离散的，非黑即白，比模拟信号稳定性好很多。结合各种与门，非门，与非门这类的逻辑（一些列复杂电路逻辑，十分复杂，有兴趣可以好好研究一下），就可以进行运算了。各类的与门，计算机就是利用这个原理。

可见不管模拟信号，还是数字信号。都离不开各类晶体管。加上一些列复杂的连接电路，就可以进行各类运算了。1942年在美国诞生的世界上第一台电子计算机，它是一个占地150平方米、重达30吨的庞然大物，里面的电路只是用了17468只电子管、7200只电阻、10000只电容、50万条线，耗电量150千瓦。而现在手机芯片就有月4亿个晶体管，如果还用老方法，我类个去，简单算一下180万千瓦，重量35万吨以上。。。，明显如果这样绝不可能有今天手机。因此人类需要更小，更轻，更节能，运算更强的运算处理器。由此集成电路（IC，Integrated Circuit）应运而生。一般大家喜欢称为芯片（chip）

有个叫戈登，摩尔的哥们在1965年提出，价格不变的情况下，集成电路上可容纳的元器件数目，每过18~24个月翻一倍。现在已经过了50年，貌似这个规律还适用。

据说早在新中国和苏联蜜月期的时候，中国就和苏联专家一起研究芯片。后来闹矛盾，真个领域也就基本停滞了。好在近十年来，中国在芯片的设计，制造领域大有突破。并且效果卓著，大家有兴趣可以找度娘聊聊。

以上纯属扫盲，简单普及一下，今天不说芯片设计咱说的制造，下面进入正题。

芯片制造原理及步骤简单说明

最常见的芯片基本都是用硅做底座，但硅并不是唯一的，可以做底座的半导体材料很多很多。基本原理都是相似的，只是不同材料对应的制造工艺不同。

制造芯片的基本原料及环境要求

制造芯片的基本原料:硅、金属材料(铜，铝等，主要是做导线的，随设计及工艺要求选择使用）、化学原料等。

做芯片离不开晶体管，就需要往半导体材料按照特性要求掺入特定的杂质。掺入杂质是有意行为，为了一些可控的特性。如果硅本身就不纯还混有一些杂质在里边，就不受控啦，没法用了。现在做手机芯片的单晶硅，纯度要求极高，99.9999999%以上，目测中国目前还做不出来，（但是中国可以做太阳能的硅，额~~ 中国人再毁了光伏产业），只能从岛国和欧美进口。由于单晶通过拉晶的工艺做出来的基本上都是成如图的柱状。成为硅碇（额，龟腚还是规定）。

（从沙到硅碇）

当然这么大坨东西不能直接用，先切片，再经过打磨等工序，见下图。就成了我芯片的直接底座了。也会神奇的发现其实他是个圆饼，称为晶圆（Wafer）。晶圆有各种尺寸像8寸，12寸。厚度一般不到1毫米。晶圆理论上说越大越好，因为可以一片晶圆上做跟多芯片，但是太大的也没那么好做。厚度薄一些更好，可以多切一个晶圆出来。但是也会带来一些更高的制造要求。

（硅片切割）

（切割打磨后的晶圆，是不是可以当镜子用）

制造芯片的环境要求积极苛刻，具体到什么程度。大家可理解几乎为真空状态就行了。大家想想不到一个厘米见方的面积做几亿个管子。基本都是纳米级的了。现在的环境不说PM 2.5爆表，但是颗粒数量也是很吓人的。PM 2.5中固定的颗粒直接小于2.5微米。要在这个环境中芯片永远做不出来。制造芯片的环境要求一般都是下表中的class1或class2，貌似大家还是没什么概念，给大家一个参照。Class8相当于我们比较干净的办公室，class6相当于比较好的手术室。

芯片制造用的基本技术原理

芯片制造工序十分复杂，但是基本原理比较简单原理，下面介绍几种必要的技术原理。实际上不同公司制造工艺差别万千，是核心竞争力。绝对保密的。

光刻技术原理

在晶圆设计完成后，会生成一个叫网表的东西，用它可以做成掩膜（MASK,类似带有各种线路的底片），就像我们用底片洗照片一样。主要用它和激光配合在晶圆上能够形成我们想要的图案。如果我们在晶圆上涂一中材料，这种材料对特定的光敏感并形成化学反应。那么我们可以利用光和MASK在晶圆进行曝光，形成任意想要的图案。没有曝光的地方就不会发生反应。这是拿去显影，曝光的地方被除去，MASK上的图案成功被转移到晶圆上。这种材料叫光刻胶。使用的时候，高点放到晶圆上，然后整个晶圆飞速旋转，就会均匀分布在晶圆表面。当然没有曝光留下的光刻胶也是有方法可以去除的。这个可是及其精细活，原理简单，实践那是相当复杂。难度系数：五颗星。

（烘烤-注胶-曝光-显影）

蚀刻技术原理

蚀刻分干蚀刻和湿蚀刻，首先解释湿蚀刻，我现在一块铝片是刻几个字，一个简单的方法就是在一个与盐酸不烦发生化学反应的膜上，搞几个镂空的字。然后贴在铝片上，刷刷盐酸，这样和盐酸接触的地方就被腐蚀掉了。没接触的地方放保留原样。类似这种就湿蚀刻。但是他有个问题就是我们期望它垂直蚀刻，往往控制不好的话业务往侧面腐蚀，影响特性啊。

干蚀刻可就不这样了。用一些特殊气体，在高射频或者其他条件，可以与被腐蚀的材料进行反应，达到腐蚀效果。这个工艺同样原理简单，实践那是相当复杂。难度系数：五颗星

掺杂原理

就是根据特性需要，用什么离子枪之类的技术，掺入对应的杂质，形成PN接。这个原理很简单，但是实际制造过程要求极其之高。显然掺多掺少直接影响晶体管的特性。而且这个层面的晶体管已经到纳米级，技术极难把握。据说有些厂商可以精确到颗，不知道他是算出来的，还是按个数出来的。总之核心技术。难度系数：五颗星

（绝缘膜）热氧化技术原理

在800~1100度左右，注入氧气可在硅的表面形成氧化膜，是很好绝缘体，当然这次氧化膜也可以被蚀刻掉。难度系数：4颗星

（导电膜）溅射技术原理

在真空环境下，冲入氩气，同时把想要做出导电膜的材料作为阴极（靶子），并置于硅上方，在高电厂作用下，氩原子被电解离子，飞奔到靶子上，轰出一些金属离子，溅射到硅片上，逐步形成一层导电膜。同样原理很简单但是，实际工艺十分复杂，要求极高。难度系数：五颗星

镀膜研磨技术原理

不管哪种镀膜实际都是不平的，使用化学及物理方法将镀的膜磨平，具体技术细节不详。总之要求也很高。难度系数：五颗星

实际芯片制造

我们常见的芯片都是很小，而且是方形的。而晶圆是很大的。也就是一片晶圆上可以做N多个芯片。靠近晶圆边缘部分是没办法做成芯片的。所以说晶圆越大成本越低啊。

在芯片设计完成后，会根据设计的结果做成很多个光刻技术会使用到的掩膜MASK。这个MASK制造也很贵。像手机芯片的一套MASK，动辄百万美金。一步消息设计有小问题，损失巨大。所以对芯片研发要求很高，需要做大量的仿真，才能去做MASK。这个MASK中有些是用来在晶圆表面做晶体管，有些是用来做链接的导线的。有人问这个MASK就做一颗芯片？实际上为了效率，有的时候再设计的时候把多个组合在一起，批量使用。在使用时逐个区域进行光刻。可参考下图。

有了MASK，再加上技术，工艺原理后，就可以自由组合使用，就可以在晶圆上做成我们想要的任何芯片了（前提是工艺稳定性ok）。

要做电极，先做一层绝缘膜，再在这上面做一次导电膜，利用光刻，把要做电极的区域遮挡住，暴露部分用蚀刻去除掉，电极就做好了。

要做各种管子，反复利用光刻和蚀刻技术，将要在晶圆上做晶体管的地方暴露出来，利用差杂质的技术掺入杂质，做成各种电容，电阻及根据需要做成各种PN结，形成各种晶体管。

链接管子及布线，把想要布线的线路及连接管子，利用光刻和蚀刻技术，该挖洞的挖洞，该挖槽的挖槽。然后利用导电膜的技术做导电膜，把槽子，洞之类填充。再用研磨技术磨平。线路就做好了。管子连线和复杂，一层导线不可能全部链接起来。但是导线如果仅在一层连接，岂不是短路了。可以利用做一层绝缘膜，再利用光刻和蚀刻，再挖槽挖坑，在镀膜。这个线实际上也是十分细的，大家常说的28nm工艺，16nm工艺指的就是这个线的宽度。可见做起来多么不容易啊。就这样反反复复，最终就把芯片的雏形做好，完成全部工序后，晶圆的样子参考下图。可见上面密布了n多个小芯片。这个小芯片一般大家都不称它为芯片，而叫做Die。

（加工完成后的晶圆）

现在很多集成度很高的芯片，有4亿多晶体管，使用的MASK就有好几十层。每座一层都好来来回回N多步骤。但是只要一步做错整个晶圆也就废了。每个制作工艺全部都是自动化生产的，人工无法干预。人工的参与也只是根据制造工艺步骤要求，进行调度，在一道工艺完成后，将晶圆搬到另外一台设备中进行加工。加工过程完全在设备备里完成。也有一些很牛的制造商，用机械手臂完成调度。

当然加工工程中，不能用手拿晶圆而用晶舟装。一个晶舟里边可以装若干片晶圆。就跟n年前的DVD，3碟连放一样。加工设备会自动逐个晶圆生产。也就是说一个晶舟里边是同一批次生产的。如果制造没造好，基本这一批次的产品全部报销。

芯片WAT测试

由于芯片制造过程要求及其苛刻，加工步骤又多，在制造过程中为了检查制造工艺是否出问题，一般都会做WAT（Wafer Acceptance Test），这个测试是晶圆厂要做，主要通过检测一些电属性，判断制作工艺是否有问题，比方说整个晶圆整体往左偏移，那么这个工艺就有问题需要调整。换个角度说如果都知道这个工艺问题，设计的时候往右偏一点是不是就可以解决这个问题了呢。（这个例子意在说明，有些制作工艺可能就不稳定，那么在设计的时候多给些空间，这样做得来的芯片良率才高。）

芯片CP测试

WAT主要测试工艺，那芯片的功能是否有问题，就要通过晶圆测试（Circuit Probing，简称CP）了。芯片在设计时除了设计特定的功能外，还要设计一部分专门用来测试芯片是否合格的测试电路。配合一些专门测试程序，就可以测试这个芯片的好坏了。

在好的芯片里边,各项参数比较优秀的，也有刚好及格的。也就是说好好的芯片的里边的可靠性也是有所区别的。区分芯片的等级好多也是多多啊，比方说芯片中的超人，可以用在要求更高的产品中，当然也可以买个更高的价钱。一般的芯片可以用在一般的产品中。

坏的芯片有时候，不一定就是坏的。有可能是测试程序设计有问题，也有可能测试设备有问题导致。当测试有问题时，就需要针对情况分析处理了。像复测几次啊，如果是测试程序问题，更新测试程序了。完成CP测试后，就可以在晶圆上标记Die的好坏了。参考下图

（完成CP测试的晶圆，绿的表示好的，其他颜色都是坏的，不同颜色表示坏的原因）

芯片封装

晶圆上的一个个Die沿着之间缝隙切割，把好的die留下，就得到一个个独立的好Die了。当然这个die十分小，薄，脆弱，接头引脚什么太细，没法直接扣到电路板上使用。同时这么精密的die暴露空气中容易受到外界环境的影响导致损坏。

（电子显微镜下，芯片内部结构就长这样）

因此我们需要给这个die装一个外壳，起着安放、固定、密封、保护芯片等作用，并且可将芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这样整个底座就能很好安装在电路板上了。底座的材料有塑胶的也有陶瓷。工艺也有很多种。

封装的要求也是十分高的。连接die上的节点的导线都是按照微米为单位的，当节点很多的情况下，导线的排列也很密，如果没做好，两根线碰在一起，或者离得比较近出现干扰，芯片也是不合格的。当然封装基本也是由机器自动完成的。

（X光下的封装线）

封装按照不同的设计要求设计底座，引脚做成针状的，也可以做成球状的。给大家百度了几个图参考一下

（封装好的芯片样例）

现在封装技术也越来越多，常见的把一个芯片封装起来。当然也可以把多个芯片堆叠封装起来，还可以把不同芯片封装到一起。水果A9芯片貌似就把缓存和cpu封装在一起，那感觉只叫酸爽啊。所以说芯片的整体性能既考虑单颗的力量，也可以考虑组团式封装结合。

最终测试

完成封装后，这个时候还不能说这是个合格芯片。封装也是很精密的活动，一不小心也会过程导致的问题，因此还需要做最终的测试。

为了做个测试还是设计工程师设计一个专门用于测试的电路板，以及一些能把芯片固定到测试电路板的卡扣。测试电路板通过电路连接到自动化测试设备（ATE），配合设计工程师专门开发的测试程序。就可以进行快速测试了。这个测试设备很贵动辄百万美金，基本上都是24小时运转，他的成本也要分摊到测试的芯片上，有些还按照测试时间收费，导致芯片的测试成本很贵，一般要几美金，有些复杂的可能更贵。测试得到的相关数据，可以给到对应的客户。做进一步分析。里边大有文章可做。（PS：测试时封装后的那些芯片的n多个脚，有些就是专门给测试用的。）

打印标签及包装

完成最终测试后，筛选出质量ok的芯片，在芯片的背面印上芯片的型号，商标等。整个芯片就做完了。印字也是一道工序，可能因工序问题导致印在芯片上的字不清晰。需要经过机器扫面标签进行对比，识别问题芯片。一般机器识别没问题后，人工在目测一下，防止机器检查失误。最后打包装盒，整个芯片生产过程完成。就那个发货了。包装也有很多形式，有些按个卖的，一个芯片装一个盒子。有些按堆卖的，装到一个大盒子或者卷起来。

（盒装）

（管子包装）

（卷带包装）

芯片制造总结一下

 芯片的制造过程可概分为晶圆生产，晶圆处理工序（Wafer Fabrication）、CP测试（Wafer Probe）、封装（Packaging）、最终测试、印字、包装等几个步骤。一般把封装之前些列工序称为前道工序，后面的称为后道。给大家在百度上找个参考图

（芯片制造过程示意）

制造原理很简单，实际工艺要求极其苛刻。目前能生产高端芯片的厂家全球范围内也屈指可数。给大家百度了一张中国十大集成电路制造商排名，从实际实力来看，第一名可以甩出第二名几条街。但尽管是排名第一个的中芯国际的最高端制造工艺，也被台积电，三星甩出几条街。同时制造制造芯片的设备的厂商没有中国的，都被欧美抓在手里。核心科技啊。芯片的基本材料高纯度硅，国内现在也生产不出来。

为什么搞制造厂家少，很重要的一个原因就是成本太高了。一道工序的设备什么动辄百万美金。要规模生产芯片，需要各种工序的设备也是排成行啊，而且技术也是很大的问题，总之来说起点高，要求高，一把辛酸一把泪啊。即便是牛掰的大厂产能往往也是有限的，导致热销手机跟不上市场的原因就是芯片不能及时出货。

除了制造外中国现在也涌现一批芯片的设计商（fabless，没有工厂，找别人代工，苹果也是找三星和台积电代工的），具体不说名字啦，可以参考一下芯片设计2014排名。中国势头还是很猛，前途一片光明啊。有关人士分析，未来半导体行业的瓶颈就是在制造这块。像三星，英特尔这些既能设计芯片，又能制造芯片竞争优势很大啊。革命尚未成功，同（J）志（Y）仍需努力啊。

芯片的整个制造，测试过程基本都是数字化生产的，只要是数字化就会产生数据。如果对数据有效挖掘，说不定可以挖到金矿。

一扯就根本停不下来，必须不说了 。