从沙子到芯片：芯片的原理和制造过程

前言：本文以芯片工作和制造过程的原理为主，都是最基础的知识，估计80%的读者能够看懂本文。

我们现在使用的电脑和手机、电视、冰箱、洗衣机等家电，和工厂中的全部机器和设备中的控制系统，如果我们把它拆开，都会看到类似下面这样的印制电路板，印制电路板上有多个电容、电阻、电感等电子元器件，注意下图的黑色的方形元件。

印制电路板

将印制电路板放大，中间黑色的方形元件这就是我们常说的芯片。

印制电路板上的芯片

芯片是什么？芯片其实是半导体元件产品的统称，不太严格的说集成电路就是芯片。芯片是包含了一个或多个集成电路的、能够实现某种特定功能的通用半导体元件产品。

我们看到的芯片需要通过一个叫“封装”的制作步骤，装到一个外壳里保护起来。芯片可以做到很小，比手指间还小得多。

芯片可以做到很小

1-芯片的基本构造：

芯片的构造如下图

我们把封装的外壳拿掉，才能真正看到芯片的内部核心，用显微镜放大。

上图中，外围一圈像斑马线的，是引脚（针脚）。而分散开来的细细的线，是引线。中间方形的部分，才是芯片真正的电路，是芯片的核心部分，我们将其继续放大来看。

密密麻麻的似乎有点不明所以，换成3D图形，原理如下。

从上图中芯片的 3D 剖面图来看，底部深蓝色的部分就是晶圆。红色的部分是逻辑闸层，即晶体管，它是整颗个芯片中最重要的部分，将多种逻辑闸组合在一起，完成功能齐全的 芯片。黄色的部分都是连线，功能是将红色部分的晶体管连接在一起，起到数据传递的作用。

2-芯片的工作原理：

芯片的基本组成元素即半导体PN结，一个由半导体材料硅作为基片，采用了不同的掺杂工艺，在硅中掺杂了其它元素，形成了P型半导体（掺杂硼）和N型半导体（掺杂磷），二者的交界面形成的空间电荷区称为PN结。PN结具有单向导电性，只能P型接正极，N型接负极，才可以导电；反之无法导电。

当我们将若干PN结组装在一起形成晶体管后，晶体管可以实现电信号的放大和开关等作用。我们再将若干晶体管组合在一起就可以实现一定的逻辑门“与”、“或”、“非”（见下图），这些逻辑门最终输出的结果就可以转化为二进制的数字信号“0”和“1”。

半导体PN结、逻辑门的原理，这是电子技术的入门知识

通过电信号控制晶体管里面的开关，进而控制电路的通断。一秒内实现开关几百万次甚至更多，产生大量的0 和 1，转化成二进制进行计算、存储等，以上就是芯片实现计算、逻辑、存储等的基本原理。

晶体管原理图

芯片里的晶体管的结构由栅极、源极、漏极、半导体硅晶圆衬底等构成。工作原理：栅极类似于控制“按钮”，当我们给栅极加一个电压，源极和漏极就会导通，电子就可以通过。电压消失，通道也跟着消失。

3-芯片制造流程大致是，提炼和制作晶圆—制作掩膜版—光刻—刻蚀—离子注入—镀铜 —测试和封装，接下来逐一介绍芯片的制造过程：

3-1制作晶圆：

3-1-1提炼沙子，制成多晶硅：芯片制造的第一步是从沙子开始的，这种沙子硅含量很高的硅石，主要成分和沙子一样是二氧化硅，经过熔炼得到纯度约为98%-99%的冶炼级工业硅。然后进一步提纯，可以得到硅纯度可以高达99.999999999%的多晶硅，一共11个九的硅棒。

提炼沙子，制成多晶硅

3-1-2制作单晶硅：我们的芯片需要的是晶格均匀、连续、电学性质稳定的单晶硅，因此要把多晶硅棒，制作成镜面的单晶硅，目前主流制法采用柴克拉夫斯基法。具体做法见下图（流程从左到右），加热熔化高纯度多晶硅，形成硅溶液。然后将一条细小的单晶硅作为引子进入硅溶液，再缓慢地向上旋转提拉，被拉出的硅溶液，因为温度梯度下降会凝固成固态硅柱。

制作单晶硅过程

这个过程有点像将将火腿肠放入加热的蜂蜜中，然后取出火腿肠，蜂蜜就凝固在火腿肠上。成型的硅柱尺寸越大，最终切割成的硅片尺寸也就越大，同一晶圆上可生产的集成电路就越多。

3-1-3制作晶圆硅片：硅柱后续被切割成圆片，然后再进行磨光、研磨、抛光、清洗等工序，最终得到厚度小于1mm的硅片。我们经常看到的8寸、12寸，也就是晶圆片的直径尺寸，尺寸越大对技术要求越高，整体的芯片制造成本越低。

3-2 光刻技术：

3-2-1第一步，先准备好光刻掩膜版。

光刻掩膜版简称掩模，是光刻工艺所使用的图形母版，是采用微纳加工技术制作的，掩模上承载有设计好的微电路图形，光线透过它的镂空部分，把设计图形透射在光刻胶上。掩膜版的作用类似于照相中的底片，或者像印钞机中钞票的母版。

掩膜版

芯片的光刻工艺精度越高，则掩膜版层数的越多，这是因为使用一层掩膜版曝光转移图案不够清晰，多曝光几次图案就更加清晰。制作40nm（纳米）的芯片时，转移图案的过程中，需要使用到40层左右的掩膜版；到了14nm的时候，会使用到60层的掩膜版；而到了7nm，至少需要80层的掩膜版。

掩膜版透光原理

3-2-2第二步，晶圆硅片上涂光刻胶。

首先按照a图在晶圆硅片表面涂上一层光刻胶，再按照b图烘干。光刻胶是能把光影化为实体的一种胶体，只要被特定波长的光照射就会疲软，可以被溶解和清除。光刻胶的作用有点类似于的照相技术中的胶卷。

晶圆硅片涂上光刻胶，烘干

3-2-3第三步，最为关键的光刻工艺。

将硅晶圆放置在在光刻机上，光线透过掩模上的镂空部分（即事先设计好的电路图），把掩模上的图形投影在晶圆表面的光刻胶上，实现曝光，激发光化学反应。对曝光后的晶圆进行第二次烘烤，使得光化学反应更充分。最后，把显影液喷洒到晶圆表面的光刻胶上，对曝光图形显影，于是掩模上的图形就被存留在了光刻胶上。

光刻工作原理

光学透镜的作用是：可以聚集衍射光提高成像质量，在光刻技术中为得到尽可能小的图案，在掩模板和光刻胶之间采用了一种具有缩小倍率的投影成像物镜。

上述过程后，没有被掩模遮挡的光在显影液作用下会使硅晶圆上的光刻胶脱落，就是我们需要的电路；而硅晶圆上被掩模遮挡光线的部分，光刻胶会遗留在硅晶圆表面，能起到保护硅晶圆的作用，这就是刻蚀过程。

在整个光刻工艺过程中，涂胶、烘烤和显影都是在匀胶显影机中完成的，曝光也是在光刻机中完成的。匀胶显影机和光刻机一般都是联机作业的，晶圆通过机械手在各单元和机器之间传送。整个曝光显影系统是封闭的，晶圆不直接暴露在周围环境中，以减少环境中有害成分对光刻胶和光化学反应的影响。

光刻工艺可以通俗一点的解释：光透过掩模，经过透镜聚焦，将掩模上的图案缩小到纳米级别投影在硅晶圆中，形成电路，这类似于我们拍摄照片的过程；而光刻工艺中的刻蚀过程，有点类似于我们冲洗照片的过程。

3-3 离子注入：

光刻完成后，在硅晶圆的不同位置加入不同的杂质，不同杂质根据浓度/位置的不同就组成了场效应晶体管。我们在离子注入机中，将硅晶圆中植入离子，生成相应的P型半导体（掺杂硼）、N型半导体（掺杂磷）。为此也要先进行光刻，把不想注入离子的区域用光刻胶贴膜保护。

具体工艺是从硅片上暴露的区域开始，放入化学离子混合液中。这一工艺将改变搀杂区的导电方式，使每个晶体管可以通、断、或携带数据。简单的芯片可以只用一层，但复杂的芯片通常有很多层，这时候将该流程不断的重复，不同层可通过开启窗口联接起来。

3-4 电镀：

在等离子注入之后，并稳定下来形成晶体管之后，还会有一道工序，就是镀铜，在硅基表面涂上一层铜。而在镀铜之后，再次通过光刻、刻蚀等动作，将镀上去的这一层铜切割成一条一条的线，这些线是按照芯片设计电路图有规则的把晶体管连接起来的。

芯片镀铜

而芯片的电路图可能有几十层，所以这样的过程也会重复几十次。

3-5 封装、测试、包装：

将制造完成晶圆固定，绑定引脚，按照需求去制作成各种不同的封装形式，这就是同种芯片内核可以有不同的封装形式的原因。

经过上述工艺流程以后，芯片制作就已经全部完成了，将芯片进行测试、剔除不良品，以及包装。

封装后的成品芯片

4- 芯片制造的最大难点：

我们常常说的芯片纳米是指制造芯片的制程，即晶体管电路的尺寸，单位为纳米(nm)。

从上面芯片制造流程看，光刻、刻蚀、离子注入、镀铜这四个最重要的工艺流程，都是在光刻机上完成的。光刻机的精度决定了芯片中晶体管的大小，光刻机的精度越高，制造出的芯片晶体管越小，硅晶圆中的晶体管数量就越多，数据存储量就越大。

一块芯片中包含了至少上百亿个晶体管

不仅如此，作为芯片投影用的母版，掩膜版的制造和芯片光刻流程很相似都要经过光刻工艺，但比芯片的光刻工艺更难，也是要在板子上涂上光刻胶，然后用激光或电子束显影，最后再进行刻蚀，显出电路图形来。

光刻工艺是芯片制造中最核心的工艺

目前国内自主研制的光刻机只有90nm的制程，而荷兰ASML制造的最先进EUV光刻机波长已经达到13.5nm，可以做7nm、5nm、3nm、2nm、1nm制程的芯片。

光刻机基本原理

ASML可量产最新的 EUV 光刻机，售价高达1.2亿美元一台，最先进的EUV光刻机，单台设备超过10万个零件，4万个螺栓，3000多条线路，软管加起来就有两公里长。设备重180吨，单次发货需要动用40个货柜，20辆卡车以及3架货机才可以运完。同时将这些零件组装起来需要1年时间，后续的参数设置，模块调试时间又更长。

ASML的 EUV是世界上最先进的光刻机

像三星、台积电等芯片巨头进入10 纳米制程后的难点是， 1 颗原子的大小大约为 0.1 纳米，在 10 纳米的情况下，一条线只有不到 100 颗原子，在制作上相当困难，而且只要有一个原子的缺陷，像是在制作过程中有原子掉出或是有杂质，就会产生不知名的现象，影响产品的优良率。

目前国产芯片制造状况：

1）就像前面所说的，我们和世界先进制造水平差距最大的，还是光刻机的母机制造。

2）作为原材料，国产硅晶圆技术已经比较成熟，可以生产各类规格的晶圆，中国已经从高纯度硅晶圆进口国变成了出口国。

3）作为电路母版，掩膜版的国产化率目前较低，主要集中在350nm~180nm掩膜版的生产制造，而40nm以下的高端掩膜版基本上被日本和美国企业所垄断。

4）光刻胶作为耗材，也是被日美等少数厂商所垄断，但是今年4月份国内科研团队刚刚取得了技术上的重大突破，期待能早日量产，缩小差距。

5）也有好的一面，我们的芯片封装技术已经达到4nm的世界先进水平，且多个国内厂家均能量产。

5）最重要的成品芯片纳米制程，目前全世界最先进的是台积电和三星的5nm量产芯片技术，在落后多年的情况下，2024年中国全面突破技术封锁，华为麒麟9000s的实现了7nm的量产工艺。

我们的日常家电、工控机和汽车上的中低端芯片的制造相对容易些，但是计算机服务器、手机、航空飞行器、火箭、卫星等不仅有很高的技术要求，还受到空间限制，这些高端芯片要求具有体积小、存储空间大、运算速度快等特点，目前正向3nm技术发展，这对我们提出了更高的要求。

北斗卫星上的宇航级芯片，价格高达900万人民币

从沙子到芯片的复杂制造过程，十分复杂，一个指尖大小的芯片里面容纳了几百亿～几千亿个晶体管，这本身就是一件不可思议的技术奇迹。而芯片制造中涉及到半导体技术、电子技术、微电子技术、光电技术、纳米技术、化工冶炼、微加工技术、薄膜制备技术、封装测试技术......等多门类技术，是一个国家科技实力的综合体现。

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。虽然我们的很多技术目前相对落后甚至还受制于人，但我们相信在未来十年之内，中国的芯片技术一定会迎头赶上。

希望我们的芯片制造像我们的高铁技术一样，未来取得令人叹为观止的飞速进步

后记：本文之所以以芯片技术原理为主要内容，而不是一味的对比国内外技术差距，不仅是要让更多的人具备基本常识，更主要的是帮助大家投入到爱国主义的实际行动中，而不是停留在空喊口号的阶段。

这和三十年前一样，我们谁都不曾预料到中国目前的基建和重装制造已经领先全球，那么我们的芯片产业，未来也是充满了希望的。