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现在电子消费品盛行

大家往往觉得7nm、5nm芯片技术唾手可得

真实的情况是...

全世界能达到28nm制程的企业也不过十家左右

不论是华为还是中芯国际

想要建一条堪用的生产线都十分困难

下图就是芯片制造的完整过程

其中以芯片制作尤为复杂

为什么芯片这么难造

今天我们就来好好说说

...

1

芯片设计

与盖房子之前要画图纸一样

想将制造芯片也需要先设计

高度复杂的芯片由数十亿个集成互联的晶体管组成

比设计一座摩天大楼还要复杂的多

其电路比一线城市的道路都要繁复

而这些都构建在数平方毫米大的半导体表面上

需要非常严谨和深入的设计

像建筑师一般用CAD、3DMAX等软件设计大楼

而芯片的设计则采用EDA软件

之前国内一般使用比较多的是

Synopsys、Cadence、Mentor

但现在美国已经开始限制我们部分企业使用了

国内目前能替代的不多

但也有华大九天、芯禾等公司的产品

然而与国外还是存在差距

用上述软件做设计比较好的国内公司有华为海思

国外比较厉害的公司有高通、苹果、AMD

当我们用EDA软件完成芯片设计之后

就可以开始加工制造了

2

芯片制造

所有的芯片都源自一种非常简单的原材料

沙粒

之所以用沙粒

是因为沙粒主要由二氧化硅组成

而硅具有稳定，易提纯等特性

同时也是非常丰富的资源

毕竟到处都有沙子

芯片制造的第一步

就是要把沙和碳混合

加热至高温使之转化为多晶硅

再经过一系列工艺

就能得到极纯的单晶硅，又称硅锭

将其切割就可以得到极薄的晶圆

在一块直径mm-mm的晶圆上

甚至可以得到数千块芯片

接下来将晶圆抛光到0.2nm

比我们平时用的镜子还要亮倍

然后就可以把

电路图“印”在晶圆上了

我们给晶圆覆上一层怕光的胶

这种胶就是“光刻胶”

再把之前用EDA软件设计好的电路图或结构图

通过透镜缩小，覆盖一层光掩膜，再用激光投射

这就是“光刻”

被照到的光刻胶会立刻融化

再经过冲洗等一系列名为“蚀刻”的操作

电路和结构就会“印”在晶圆上

下一步

就是给晶圆安装晶体管和各种器件

这一步其实和炒菜很像

我们已经把菜倒进了锅里

再放入各种调料才能做出色香味俱全的饭菜

相当于芯片制作过程中的“添油加醋”

专业术语叫“掺杂”

即把一定数量的杂质掺杂到晶圆上

为什么一定要掺杂呢？

因为晶圆属于纯单晶硅

硅原子的最外层有四个电子

没有可以自由活动的

所以纯单晶硅在室温下无法导电

不导电芯片怎么工作？

所以我们就要想办法让它导电！

这就需要在晶圆中掺杂少量其他原子

这些杂质原子的最外层电子

必须比硅多一个或少一个

打开元素周期表

硅位于第十四族

因此我们需要使用第十三或十五族的元素

“添硼加磷”再合适不过了

假设一节火车车厢一共有个座位

每个座位刚好适合带四个电子的原子坐

因为硅原子携带四个电子，胖瘦合适

所以很舒服的就坐了进去

但也造成坐的太紧凑，电子们无法移动的问题

所以此时这是一节绝缘体车厢

这时我们赶下去10个硅原子，换上10个硼原子

硼原子就瘦一些，只携带3个电子

这样车厢里就多出了10个电子的空位置

为电子们的移动提供了条件

这节车厢现在就是半导体了

我们称之为P型半导体

同理，在另外一节车厢里

也有个硅原子，我们赶下去10个

换上10个磷原子

但是磷原子比较胖，携带了5个电子

多出来的10个电子被挤了出去挂在了车厢外边

这节车厢我们称之为N型半导体

而两节车厢连在一起时

挂在N型车厢外边的10个电子喜出望外

因为P型车厢正好还有10个电子的空位置

于是他们立刻就跑了过去

电子就这么移动起来了

这两节车厢称之为“PN结”

当我们给车厢两端接上导线

二极管就诞生啦

芯片内数亿计的晶体管大多也都是这么来的

那么问题又来了

我们用什么办法才能赶走十个硅原子

并把硼原子和磷原子送上车呢？

这里就要用到离子注入机了

离子注入机就像一个大炮

会先把元素气态粒子电离成离子

然后射到晶圆上无数的硅原子车厢中

在这期间

很多离子都会被车厢弹开或直接穿过

还有一部分就会将车厢里本身的硅原子撞出来

从而留在车厢里

在完成离子注入后

晶圆就具有极性，可以导电了

最后就是要把

数以亿计的晶体管和器件连接起来

一个一个的连接肯定是不现实的

我们会先给晶圆表面镀一层铜

再通过光刻、蚀刻

将这层铜按电路图规划切成一条一条的线

各种器件就彼此连接起来了

至此

芯片制造就基本上就完成了

...

虽然看起来很厉害的样子

但是实际上操作起来你会发现

更厉害！

为了确保芯片能够再现设计的微观结构

必须保证生产环境是恒温、恒湿和无尘的

换言之，必须在洁净室中制造芯片

洁净室比手术室还要干净的多

每10升空气中不得存在超过0.5微米的尘粒

员工在上岗前连吸烟都不可以

进出也只能通过一个特殊气闸

而对晶圆进行光刻的光刻机

更可以说是地球最精密的仪器了

目前最高工艺是纳米

在这种极端精度下

很多我们人体察觉不到的细节全部成为障碍

比如震动

关一个门的结果可能都是灾难性的

这就需要一个极度精密的减震系统

比如光源

光刻时不能像我们写字一样时粗时细

所以需要光束矫正器、能量控制器等等辅助设备

比如掩膜板

控制的精度是纳米级别

稍有偏差成像就会有问题

比如引导光线的反光镜

它的精度是以0.纳米计算的

如果整个反光镜有福建广东两个省这么大的面积

那么福建广东两省的海拔高度基本是绝对水平的

最高凸起不能超过1厘米

...

等等等等

要注意的细节和生产难度实在太大了

而全世界只有一家高端的光刻机生产商

阿斯麦尔（ASML）

其生产的光刻机每台至少卖1亿美元

芯片制造国内比较厉害的公司有中芯国际

已经可以生产28nm工艺的芯片了

但仍然落后国际两代水平

国际上厉害的公司有台积电、英特尔、三星

但是他们之所以厉害

也不过是因为能先买到阿斯麦尔的光刻机

谁先买到谁就能率先具备7nm工艺水平

钱，有的时候真不是万能的

英特尔持有阿斯麦尔15%股份

台积电持有5%，三星持有3%

咱们国家属于被限制国家

随着前几年美国渐渐管不住小弟了

中芯国际才捡漏了一台高端光刻机

...

3

封装测试

封装测试其实并不难

就是将晶圆上的芯片分割开分别装在主板上

利用引线把芯片与封装的引脚相链接

再加入盖子封起来

防止外界灰尘和水汽的污染

成品完成后

再经过各种检测

达到要求的可以装箱

达不到的就扔掉

封装测试方面

我们国家的技术已经很成熟了

讲到这里

如果你还不理解芯片制造的原理

那我们可以回到七十多年前

看看年诞生的第一台计算机

这台名为“ENIAC”的庞然大物

重达30吨，占地平方米，用了个电子管

每秒钟可以计算次

芯片其实就是将哪些大器件缩小后的产物

然而小到一定程度以后

量变引起质变

研发难度就会成指数倍增加

现在你应该明白

为什么芯片的主要材料是沙子

但是沙子那么便宜

而芯片那么贵了吧？

算下来

从到年

国内半导体产业计划投资亿美元

平均每年投入达亿美元

但是...

仅英特尔一家公司研发投入就超过亿美元

中国芯

依然任重而道远

文案：小蟹

手绘：君君