沙子變“黃金”——芯片制造流程

在美國(guó)貿(mào)易戰(zhàn)的壓力下，國(guó)家大力支持我們集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這是一個(gè)技術(shù)復(fù)雜，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)高度專業(yè)化的行業(yè)，其核心環(huán)節(jié)主要包括芯片設(shè)計(jì)，芯片制造，封裝測(cè)試。

芯片設(shè)計(jì)是集成電路的上游產(chǎn)業(yè)，設(shè)計(jì)人員通過(guò)工具，考慮到后面的制造流程，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的集成電路。在芯片設(shè)計(jì)方面我們與美國(guó)相比差距不算大。比如，被美國(guó)打壓的華為，就設(shè)計(jì)有5nm制程工藝的芯片。不過(guò)，在芯片設(shè)計(jì)時(shí)用到的EDA工具還是人家的。

芯片設(shè)計(jì)好以后，通常會(huì)交給代工廠進(jìn)行生產(chǎn)制造，芯片制造是比芯片設(shè)計(jì)困難的一個(gè)流程。

芯片的主要成分是硅（SI），在中學(xué)時(shí)代的課本上，我們學(xué)過(guò)硅是地殼中含量第二高的元素占26.3%。在我們身邊隨處可見的沙子含有豐富的硅，它是芯片的最基礎(chǔ)的原材料，因?yàn)樯匙邮枪璧难趸?，沙子還需要在超高溫條件下經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的流程脫氧后生成多晶硅，再將多晶體中提煉出極高純度的單晶硅，鑄成半徑大小不同的硅棒，我們叫做硅錠。

毫無(wú)疑問(wèn)，之所以選擇硅制作芯片，其中一個(gè)原因就是上面所說(shuō)的硅在自然界中實(shí)在是太多了。不過(guò)，最主要的原因還是跟硅的電學(xué)特性有關(guān)。因?yàn)樗床皇菍?dǎo)體也不是絕緣體，是一種半導(dǎo)體材質(zhì)。在元素周期表中硅是14號(hào)元素，化合價(jià)位4的元素，可以通過(guò)摻雜三價(jià)和五價(jià)的元素形成N型或P型晶體管，我們叫做PN結(jié)，它具有單項(xiàng)導(dǎo)電的特性。這是最基本的晶體管結(jié)構(gòu)，芯片就是有這種大量的晶體管構(gòu)成的電路。

接下來(lái)就需要將單晶硅硅棒切割成一片片極薄的圓形硅片，再對(duì)其表面進(jìn)行拋光處理，我們常說(shuō)的晶圓就是這一片片的晶片，只不過(guò)現(xiàn)在上面還沒(méi)有任何電路。

為了提高晶圓的抗氧化和耐高溫能力，還需要在晶圓表面均勻的涂抹上一層薄薄的光阻劑。

接下來(lái)就是在晶圓上制作電路了，主要包括光刻顯影，蝕刻。這一過(guò)程非常重要，不單可以決定芯片的大小，科技含量高，其中需要用到的光刻機(jī)，全球也只有寥寥數(shù)家生產(chǎn)?，F(xiàn)在全球最先進(jìn)的光刻機(jī)制造廠商，是荷蘭的ASML公司，它進(jìn)口了全球最先進(jìn)的光刻機(jī)相關(guān)零部件。不過(guò)，其最先進(jìn)的光刻機(jī)也就也為數(shù)不多，目前，分別把它們賣給了臺(tái)積電，英特爾，三星等廠商。這幾家在業(yè)界也是龍頭的地位。我國(guó)也有國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)，但因?yàn)槠鸩捷^晚，與之相比還有很大的距離，受制于技術(shù)還無(wú)法制造出國(guó)產(chǎn)7nm光刻機(jī)。

在制作電路之前需要在晶圓上均勻涂抹上光刻膠，把晶圓上的光刻膠烘干將其放到光刻機(jī)里對(duì)其曝光。也就是使用紫外線透過(guò)掩膜照射光刻膠，掩模上印有設(shè)計(jì)好的電路圖案，電路圖案通過(guò)紫外線照射掩模會(huì)在光刻膠上形成電路投影，而曝光在紫外線下的光刻膠會(huì)發(fā)生光化反應(yīng)變軟。然后，還需要對(duì)其第二次烘烤，使其光化反應(yīng)充分，再噴上顯影液，使其溶解，電路圖案就能顯現(xiàn)出來(lái)了，再對(duì)其烘烤，蒸發(fā)掉光刻膠里的溶劑。

然后，使用刻蝕機(jī)在晶圓上刻出N型陷和P型陷阱，再通過(guò)離子注入技術(shù)將硼或磷注入到硅結(jié)構(gòu)中，就是上面所說(shuō)的在硅中摻雜三價(jià)或五價(jià)元素，形成PN結(jié)。接下來(lái)使用銅將各個(gè)晶體管連接起來(lái)。

如流程，再涂抹一層膠，再制作做一層電路結(jié)構(gòu)，一般芯片上會(huì)有很多層這種結(jié)構(gòu)。

光源——掩膜——縮圖透鏡

電路結(jié)構(gòu)制作好之后，晶圓上也就會(huì)有很多芯片單元，我們需要對(duì)其每個(gè)芯片單元做電路測(cè)試，這個(gè)階段的測(cè)試我們叫做晶圓測(cè)試。這一步我們通常對(duì)晶圓上每個(gè)芯片單元做電特性測(cè)試，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)不良品，把其中不良的芯片單元從晶圓中標(biāo)記出來(lái)。這一步意義重要，可以在芯片封裝前，提前將不良品篩選出來(lái)，對(duì)于芯片設(shè)計(jì)而言這一步也尤為重要，可以根據(jù)測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在的缺陷。

晶圓測(cè)試結(jié)束后，就可以將晶圓送去切割了，切割這個(gè)流程中會(huì)丟棄掉不合格的芯片單元，合格品將進(jìn)入下一個(gè)流程——封裝。

芯片封裝，是將切割之后的合格品放到一塊基板上，把各個(gè)引腳引出來(lái)，固定成一顆芯片。根據(jù)不同需要，封裝形式多種多樣。包括，普通雙列直插式，普通單列直插式，小型雙列扁平，小型四列扁平，圓形金屬，體積較大的厚膜電路等。

最后，封裝完成對(duì)芯片還需要進(jìn)行最后的一次測(cè)試才能出貨。通常這個(gè)過(guò)程中會(huì)較為完整性的測(cè)試芯片的基本電特性和其功能，測(cè)試后的良品即可包裝打包出貨。這個(gè)過(guò)程需要測(cè)試機(jī)ATE和機(jī)械手協(xié)調(diào)工作，機(jī)械手可將芯片依次放入測(cè)試位，測(cè)試機(jī)即可負(fù)責(zé)測(cè)試芯片的功能，測(cè)試完成后，機(jī)械手可將芯片從測(cè)試位取出并根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分類，并將良品打包，然后，接著下一顆芯片進(jìn)入測(cè)試位進(jìn)行測(cè)試。

以上就是芯片制造的主要流程。