作者：劉植榮

今天，我們生活在被芯片包圍的世界里，幾乎所有電器和電子設(shè)備上都有芯片，就連諸如身份證、護(hù)照、銀行卡、乘車卡、購(gòu)物卡之類的憑證也離不開芯片。最近一段時(shí)間，國(guó)人對(duì)芯片格外關(guān)注，我們天天談?wù)撔酒褪褂眯酒?，可你知道芯片是怎么造出來的?

1.芯片的設(shè)計(jì)、制造與封裝由不同公司完成

　　美國(guó)電子工程師杰克·基爾比1958年發(fā)明集成電路（芯片）后，在芯片生產(chǎn)初期都是“一條龍”，即設(shè)計(jì)、制造、封裝都由一家公司完成。美國(guó)英特爾公司目前仍采取這種傳統(tǒng)的芯片生產(chǎn)模式。

　　從20世紀(jì)80年代開始，芯片生產(chǎn)細(xì)化分工。設(shè)計(jì)公司不制造芯片，而是把設(shè)計(jì)好的集成電路交給芯片制造商代工；有的芯片制造商也不負(fù)責(zé)封裝芯片，而是把加工好的晶圓交給芯片封裝公司封裝，完成芯片生產(chǎn)的最后一道工序。

　　英國(guó)ARM是世界上最大的芯片設(shè)計(jì)公司，也是微處理器的標(biāo)準(zhǔn)制定者。ARM設(shè)計(jì)的芯片在全球手機(jī)和平板電腦芯片市場(chǎng)中占95%的份額，電腦芯片占45%的份額，家用電器芯片占35%的份額，智能卡芯片占30%的份額，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備芯片占17%的份額，汽車芯片占10%的份額。

　　ARM并不是把自己設(shè)計(jì)的集成電路交給芯片制造商，而是把它賣給其他設(shè)計(jì)公司，其他設(shè)計(jì)公司對(duì)其進(jìn)行有限的修改，然后選擇一家芯片制造商代工。盡管一些芯片上印著各種商標(biāo)，但這些芯片其實(shí)都是ARM設(shè)計(jì)的，專利權(quán)益歸屬ARM。

　　ARM設(shè)計(jì)的集成電路授權(quán)費(fèi)通常在千萬美元左右，每年的授權(quán)費(fèi)占ARM總收入的三分之一。另外，芯片代工企業(yè)還要向ARM支付版稅，版稅稅率是芯片價(jià)格的1%-2%，ARM總收入的一半來自這項(xiàng)版稅。  

　　芯片上有數(shù)以千億計(jì)的電子元件，必須使用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件EDA。EDA在芯片制造過程中起著決定性作用，芯片的功能和集成度，完全取決于EDA的設(shè)計(jì)能力。EDA基本上都來自美國(guó)的凱登、新思科技和明導(dǎo)三家公司。

　　中國(guó)臺(tái)灣的臺(tái)積電是世界上最大的芯片制造商，市場(chǎng)占有率超過55%。美國(guó)的英特爾、格羅方德，韓國(guó)的三星，中國(guó)臺(tái)灣的聯(lián)電也是世界上頂級(jí)的芯片制造公司，這些公司擁有眾多芯片制造技術(shù)專利。

2.芯片是在晶圓上加工的，一片晶圓可加工出數(shù)千塊芯片

　　半導(dǎo)體材料很多，但應(yīng)用最多的還是硅，因?yàn)楣璧娜埸c(diǎn)是1415攝氏度，高熔點(diǎn)可以抵抗芯片加工中的高溫工藝。

　　只有高純度的硅才能制造芯片，我們把純度99.99%的金叫純金（4個(gè)9），但制造芯片的硅的純度至少要13個(gè)9。材料是芯片制造的基礎(chǔ)，不掌握硅的提純技術(shù)，造芯片就無從談起。

　　有了高純度硅，還要把它加工成硅錠，這個(gè)過程也叫晶體生長(zhǎng)。在硅熔爐里拉出硅錠后要截掉兩端，就像吃甘蔗那樣“掐頭去尾”，然后再把硅錠磨成純圓。接著，就要把硅錠切割出定位邊，為接下來的工藝提供加工的便利。定位邊有的是沿著硅錠縱向切去一小條，形成矩形平面；有的是沿著硅錠縱向開出溝槽。

　　之后，就可以制備晶圓了。晶圓就是把硅錠切割成一片片的薄片，就像切香腸一樣，然后在每片晶圓上加工出集成電路形成芯片。

　　一片晶圓上要加工出數(shù)百塊甚至數(shù)千塊相同的芯片，封裝前才把晶圓上的芯片切割分開。這就好比是印鈔票，在一張紙上印出很多面值相同的鈔票，然后再把它們切割開來。

　　晶圓（硅錠）直徑越大越好，這樣可以一次加工出更多的芯片。還有，晶圓直徑大，上面不可用的邊緣芯片與全部芯片（可用芯片與邊緣芯片之和）的比率就低，可用芯片產(chǎn)出率就高，通俗地說，就是下腳料少。晶圓直徑和光刻機(jī)的工藝制程一樣，代表著芯片制造技術(shù)水平。目前，直徑450毫米的晶圓已成為主流，而5納米制程的光刻機(jī)已開始廣泛應(yīng)用。

　　制程代表能在晶圓上制作的電子元件的大小，制程越小，制造出來的芯片就越高級(jí)。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納米，1納米等于10埃。人的頭發(fā)直徑是7萬納米，周長(zhǎng)是22萬納米。用制程5納米工藝制造芯片，就好比沿著一根頭發(fā)修建4.4萬條公路。

　　晶圓切割下來后還要磨片，就是把晶圓表面磨成光學(xué)平面，確保光刻時(shí)能準(zhǔn)確聚焦。為避免晶圓在運(yùn)輸中以及將來加工中受損傷，還要對(duì)晶圓表面進(jìn)行氧化，氧化后的晶圓就可以打包發(fā)運(yùn)到芯片制造商那里去了。

3.芯片是用掩模版“照”出來的，類似用底片沖印照片

　　最近，光刻機(jī)幾乎成了家喻戶曉、婦孺皆知的名詞，不少人誤認(rèn)為芯片是“刻”出來的。其實(shí)，芯片不是“刻”出來的，而是“照”出來的，這和用底片印照片一樣。傳統(tǒng)照相，把曝光沖洗后的底片在暗室里用放大機(jī)投影到相紙上，通過顯影、定影就印出照片來了。光刻就是讓光線透過掩模版，投影到晶圓上，被曝光的晶圓經(jīng)過在化學(xué)藥液里一系列化學(xué)反應(yīng)，形成集成電路圖形。

　　掩模版的制備和光刻芯片的工藝相同，也需要光刻機(jī)，只是材質(zhì)以及曝光法和蝕刻藥液不同而已。

　　1955年開始，貝爾實(shí)驗(yàn)室的朱爾斯·安德魯斯和沃爾特·邦德研發(fā)出芯片光刻工藝。1958年，美國(guó)仙童公司制造出世界上第一臺(tái)光刻機(jī)。1961年，美國(guó)GCA公司開始批量制造商業(yè)化的光刻機(jī)。目前，世界上只有4個(gè)國(guó)家的7家公司可以制造光刻機(jī)，即荷蘭的阿斯麥爾，美國(guó)的英特爾、超科技半導(dǎo)體、魯?shù)婪颍毡镜哪峥?、佳能，德?guó)的速思微科。

　　掩模版是在石英基片（或玻璃基片）上鍍上一層薄薄的鉻膜，然后在鉻膜上涂抹光刻膠。用EDA把集成電路圖設(shè)計(jì)出來后，生成光刻機(jī)可識(shí)別的掩膜版圖形文件，用電子束直接讀取圖形文件，對(duì)石英基片上的光刻膠非接觸曝光，再經(jīng)過一系列的化學(xué)藥液處理，讓曝光區(qū)域的光刻膠溶解脫落，暴露出下面的鉻膜。接著，用化學(xué)藥液把露出的鉻膜蝕刻掉，就形成了透光區(qū)域，而受光刻膠保護(hù)的鉻膜不會(huì)被蝕刻，形成不透光區(qū)域，這些不透光的圖形就是集成電路圖形，也就是晶體管、二極管、電阻、電容、熔絲等電子元件和連接它們的導(dǎo)線。

掩模版好比是投影儀里的LCD或DLP顯示屏，光源光線把顯示屏上的圖像投射到幕布上，不同的是，光刻機(jī)的光源光線通過掩模版投射到晶圓表面的光刻膠上，和傳統(tǒng)照相用底片沖印照片一樣，一塊掩模版可以“照”出成千上萬的芯片來。

4.把晶圓加工成芯片，60%的時(shí)間處于光刻階段

　　現(xiàn)在，我們就看看芯片是怎么被“照”出來的。

　　為滿足不同工藝需要，掩模版有兩種類型。如果掩模版上的集成電路圖形是不透光的，而背景區(qū)域是透光的，則稱之為亮場(chǎng)掩模版；反之，如果掩模版上的集成電路圖形是透光的，而背景區(qū)域是不透光的，則稱之為暗場(chǎng)掩模版。用亮場(chǎng)掩模版光刻就叫負(fù)膠光刻，用暗場(chǎng)掩模版光刻就叫正膠光刻。兩種光刻工藝完全一樣，只是用的光刻膠和化學(xué)藥液不同而已。為節(jié)省篇幅，我們僅以亮場(chǎng)掩模版為例介紹晶圓的光刻過程。

　　光刻機(jī)光源的光線照射掩模版，掩模版上的集成電路圖形是不透光的，光線只能透過背景區(qū)域?qū)A上的光刻膠曝光。光刻膠本來是可溶物質(zhì)，但曝光后就變成了不可溶物質(zhì)，通過化學(xué)藥液把可溶物質(zhì)溶解掉，再經(jīng)過清洗，集成電路圖形就凹陷在光刻膠里。

　　上文已述，晶圓表面有一層氧化層保護(hù)膜，集成電路圖形就是在這層保護(hù)膜上形成的，現(xiàn)在，還要用化學(xué)藥液蝕刻掉這層保護(hù)膜。曝光后的光刻膠是抗蝕刻的，能保護(hù)其下面的氧化層，此時(shí)的蝕刻只去掉集成電路圖形下面的氧化層。

　　蝕刻后，就可以把晶圓上剩余的光刻膠剝離了。這時(shí)，集成電路就永久留在晶圓表面了。但這只是集成電路圖，還不能稱其為芯片，因?yàn)榇藭r(shí)還不能形成“PN結(jié)”等電性功能，必須經(jīng)過離子注入、擴(kuò)散等若干工藝后才能形成芯片。

　　為提高芯片產(chǎn)出的合格率，高端光刻機(jī)不再給整塊晶圓一次性曝光，而是對(duì)每塊集成電路依次曝光，所以，光刻機(jī)的英文就是“Stepper”，其本意就是“一步一步曝光”的意思。

　　需要說明的是，不是對(duì)晶圓的一次光刻就可以加工好芯片，而是要經(jīng)過多次光刻，如阻擋層、導(dǎo)電層等都需要光刻。晶圓光刻后，還要對(duì)晶圓的背面進(jìn)行研磨，減薄晶圓，芯片的厚度不超過75微米，以便于切割封裝。

　　美國(guó)加州大學(xué)物理學(xué)教授理查德·費(fèi)曼提出了芯片三維制作理論，就是在一塊晶圓平面的垂直方向，向上疊堆多層集成電路。對(duì)多層集成電路而言，就要對(duì)一片晶圓進(jìn)行幾十次甚至幾百次光刻。晶圓加工的每一道工藝還細(xì)分成若干道子工藝，而且每道工藝完成后都要檢測(cè)，檢測(cè)晶圓常用的原子力顯微鏡檢測(cè)靈敏度高達(dá)1埃（0.1納米）。

　　綜上，把一片晶圓加工成芯片需要幾個(gè)星期的時(shí)間，其中60%的時(shí)間處于光刻階段。

5.芯片加工區(qū)無人無燈光，一個(gè)病毒也不允許存在

　　芯片制造代表世界上最頂尖的科技水平，不但對(duì)技術(shù)和設(shè)備有很高的要求，對(duì)車間環(huán)境要求也極高。

　　芯片加工區(qū)的工作人員從頭到腳全身防護(hù)，有的防護(hù)服甚至自帶呼吸系統(tǒng)，就像宇航員一樣，以防人體新陳代謝的脫落物和呼出的氣體污染芯片。而光刻、蝕刻、離子注入等工藝是在真空下進(jìn)行的。別說塵埃，就是病毒也不允許存在，因?yàn)橐话悴《居?00納米大小，而芯片上的電子元件僅有幾納米，一個(gè)病毒就讓整塊芯片報(bào)廢！

　　在晶圓加工過程中需要大量高純度水，要求25攝氏度時(shí)水的電阻大于1800萬歐姆，一個(gè)芯片廠每天要用幾萬噸高純度水，水的凈化費(fèi)用在芯片生產(chǎn)成本中占很大比重。

　　所以說，就是弄到芯片制造的全套技術(shù)和設(shè)備，加工環(huán)境不達(dá)標(biāo)，照樣造不出芯片來。

　　為避免人為因素造成的加工瑕疵，確保芯片品質(zhì)的一致性，芯片制造自動(dòng)化程度越來越高，基本做到了車間無人無燈光，按一下按鈕，晶圓便自動(dòng)進(jìn)入工藝加工區(qū)，從一個(gè)工藝區(qū)到另一個(gè)工藝區(qū)自動(dòng)完成，工作人員聽到信號(hào)把加工包裝好的晶圓取走就是了。

　　可能有讀者會(huì)問：晶圓加工好了究竟是個(gè)啥樣子？

　　芯片生產(chǎn)屬于微觀世界，加工好的晶圓被光線折射得斑駁陸離，肉眼是看不到上面的集成電路的。如果把加工好的晶圓放在顯微鏡下觀看，它就像一座城市，上面的每塊芯片就是一個(gè)巨大的街區(qū)，上面的電子元件就是建筑，導(dǎo)線就是建筑之間的空地，而芯片之間的切割線就像是城市的街道。

6.芯片被封裝在保護(hù)殼內(nèi)，芯片占半導(dǎo)體市場(chǎng)的86.6%

　　從上文論述可知，芯片是對(duì)晶圓加工而成的，一片晶圓上可有數(shù)千塊芯片。芯片封裝公司首先要把加工好的晶圓切割成獨(dú)立的芯片，把邊緣不能用的芯片剔除，然后對(duì)每塊芯片進(jìn)行測(cè)試，把測(cè)試合格的芯片封裝在保護(hù)殼內(nèi)，并焊接好引腳系統(tǒng)，然后再進(jìn)行最后檢測(cè)，檢測(cè)合格后投入市場(chǎng)。從晶圓到芯片封裝到最后檢測(cè)，芯片在整個(gè)生產(chǎn)過程的合格率在78%左右。

　　一般人是看不到芯片本身的，看到的是芯片封裝外殼，因?yàn)樾酒w薄，必須密封保護(hù)起來，并引出引腳后才能與外部電路連接。

　　芯片生產(chǎn)所需材料都是高科技材料，材料費(fèi)用占芯片總成本的38%。芯片生產(chǎn)的設(shè)備昂貴，使用壽命短，設(shè)備折舊占芯片總成本的35%。

以上講的是芯片生產(chǎn)的工藝流程，這只是概念上的流程，實(shí)際生產(chǎn)要復(fù)雜得多。在指甲蓋大小的芯片上加工出數(shù)千億甚至上萬億個(gè)電子元件，還要把它們用導(dǎo)線連接起來，讓它們按設(shè)計(jì)要求協(xié)調(diào)運(yùn)行，其工藝復(fù)雜、精密程度超乎一般人的想象。

在整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，芯片占九成份額。根據(jù)世界半導(dǎo)體貿(mào)易協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，2017年全球半導(dǎo)體貿(mào)易額為4122億美元，其中芯片為3527億美元，占86.6%，剩余的是分立電子元件。在芯片市場(chǎng)中，儲(chǔ)存芯片占34.8%，邏輯電路占29%，微處理器占18%，模擬電路占15%。 （本文發(fā)《羊城晚報(bào)》2020年9月23日A11版）