前言：多年前，網(wǎng)上出現(xiàn)一組介紹集成電路(芯片)制造的漫畫(huà)，而且有英文版。無(wú)論從專(zhuān)業(yè)角度還是漫畫(huà)角度看，筆者認(rèn)為漫畫(huà)畫(huà)的很棒！可惜網(wǎng)上漫畫(huà)清晰度不高。筆者對(duì)這些漫畫(huà)進(jìn)行了清晰化，并配上了通俗的說(shuō)明文字和示意圖，整理成此文，試圖以漫畫(huà)為主、示意圖和文字為輔，對(duì)芯片制造過(guò)程進(jìn)行講解。重點(diǎn)介紹在芯片上集成上百億只電路元件的“十八般武功”，力求形象生動(dòng)和便于理解。網(wǎng)上引用這組漫畫(huà)的文章都未標(biāo)出漫畫(huà)原創(chuàng)作者，若讀者有相關(guān)信息，請(qǐng)不吝賜教。筆者核實(shí)后，將在文中列出漫畫(huà)原創(chuàng)作者。

小小芯片把人類(lèi)帶進(jìn)信息化智能化世界，芯片和軟件構(gòu)成了信息化社會(huì)這座高樓大廈的基礎(chǔ)。如果您對(duì)芯片還比較陌生，但近兩年來(lái)，您已經(jīng)知道了芯片超級(jí)重要后，一定想多了解一些芯片知識(shí)。下文將用漫畫(huà)、示意圖和說(shuō)明等形式，通俗直觀地對(duì)芯片及其制造過(guò)程進(jìn)行介紹。

示意圖1帶您認(rèn)識(shí)一下用于制造芯片的硅片(晶圓)，實(shí)現(xiàn)芯片功能的最小單元——晶體管，以及硅片、芯片和晶體管三者的關(guān)系。圖中麒麟990是華為先進(jìn)的5G智能手機(jī)芯片，采用7nm工藝制造，面積僅為113平方毫米(約1厘米見(jiàn)方，小手指甲大小)，上面卻集成了約103億只晶體管。一只晶體管的三維(3D)結(jié)構(gòu)如右上圖所示。芯片制造廠采用的12英寸硅片的面積為70659平方毫米，用它大約可以生產(chǎn)600顆麒麟990芯片。

示意圖2左圖是一張芯片布圖(Layout)的局部，把它放大后，在其中找到了一個(gè)晶體管的布圖，如紅方框區(qū)域所示。一個(gè)晶體管在芯片中僅占頭發(fā)絲橫切面百分之一不到的面積，但它卻是由復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)組成。晶體管從分布上看是平面的，但從橫切面上看是立體的，晶體管三維立體結(jié)構(gòu)如上右圖所示。芯片制造完成后，晶體管會(huì)“依托”硅片并“扎根”于硅片，上百億只晶體管由縱橫而不交錯(cuò)的金屬線條連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了芯片的功能。

如何在小手指甲大小的硅片上集成上百億只晶體管等電路？在芯片制造時(shí)都用到了哪些高精尖的技術(shù)？下面就讓機(jī)器人小寶帶您走進(jìn)芯片制造的微觀世界，看看集成電路制造的神奇。

芯片細(xì)微無(wú)法言表，漫畫(huà)粗曠只能示意。

一、芯片制造過(guò)程概述

芯片制造過(guò)程大致分為四個(gè)階段。下圖中，1-2的工序是芯片設(shè)計(jì)流程，3-4-5-6的工序是硅片制造流程，7-8-9-10-11的工序是在硅片上制造電路元件的電路制造流程，12-13的工序是收尾流程。其中，硅片制造流程實(shí)際是芯片原材料加工過(guò)程，一般是在另外的專(zhuān)業(yè)工廠中完成。所以，硅片制造可以不包括在芯片制造過(guò)程中。本文為了讓讀者對(duì)芯片制造有全局了解，特把硅片制造也包含在芯片制造過(guò)程中。

（注：此漫畫(huà)及后文所有漫畫(huà)皆來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)文章，并經(jīng)過(guò)了筆者加工整理。）

（一）芯片設(shè)計(jì)流程

芯片設(shè)計(jì)流程中包括了電路設(shè)計(jì)和光刻掩膜版制作。電路設(shè)計(jì)就是通常所說(shuō)的集成電路設(shè)計(jì)(芯片設(shè)計(jì))，它是芯片產(chǎn)業(yè)鏈(設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試和應(yīng)用)的首要環(huán)節(jié)，電路設(shè)計(jì)的結(jié)果是芯片布圖(Layout)。光刻掩膜版制作是把芯片布圖拆分成幾十層～上百層用于制造芯片的圖紙，并把每層圖紙制作成光刻掩膜版(Mask)，它們將在芯片制造過(guò)程中使用。假設(shè)一個(gè)芯片布圖拆分為n層光刻掩膜版，硅片上的電路制造流程各項(xiàng)工序就要循環(huán)n次。

1.電路設(shè)計(jì)：這是晶體管等電路元件擺放、連線和模擬的“設(shè)計(jì)功”。設(shè)計(jì)人員要在圖形工作站上，利用EDA軟件，把上百億只晶體管等電路元件合理擺放(Place)在設(shè)計(jì)區(qū)域，上下左右、縱橫而不交錯(cuò)地準(zhǔn)確連接(Route)起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)想的電路功能。并且芯片布圖在送去制造之前，要反復(fù)進(jìn)行精確地電路功能模擬(Simulation)，以保證芯片設(shè)計(jì)萬(wàn)無(wú)一失。

示意圖3是Intel公司2000年發(fā)布的奔騰P4 CPU的芯片布圖，該芯片采用180nm的工藝制造，其上集成了4200萬(wàn)只晶體管，該芯片是臺(tái)式計(jì)算機(jī)的CPU。20年后的今天，華為手機(jī)CPU芯片麒麟990采用7nm工藝制造，集成了103億只晶體管，規(guī)模是Intel P4的245倍，并且速度更快?，F(xiàn)在智能手機(jī)的處理能力比二十年前的臺(tái)式計(jì)算機(jī)要強(qiáng)很多倍，芯片技術(shù)的快速發(fā)展功不可沒(méi)。

2.光刻掩膜版制作：這是把芯片布圖拆分成光刻掩膜版的“分層功”。這個(gè)工序是芯片制造前的準(zhǔn)備工作，分層就是按照芯片制造的工藝要求，把芯片布圖拆分成多達(dá)幾十層的光刻掩膜圖形，并制成一層層的光刻掩膜版。傳統(tǒng)光刻掩膜版是在很薄很平整的石英玻璃上沉積一層厚約150nm的鉻膜，并按光刻圖形做出透光與不透光的圖形。

示意圖4是一個(gè)晶體管(示意圖2所示)的一套光刻掩膜版圖，如果芯片上集成上百億只晶體管的話(huà)，光刻掩膜版上圖形數(shù)量將是它一百多億倍，復(fù)雜程度可想而知。光刻掩膜版類(lèi)似于傳統(tǒng)照相底版，它上面的圖形只有透光和不透光的分區(qū)，并精細(xì)的多。而照相底版有半透光的過(guò)渡性區(qū)域，而且精度無(wú)法和光刻掩膜版相提并論。

（二）硅片制造流程

硅片制造流程包括了單晶硅棒拉制、硅棒切片、硅片研磨和硅片氧化共4個(gè)工序。硅片也叫晶圓，硅片制造也叫做硅晶圓制造。硅片制造一般是在另外的專(zhuān)業(yè)工廠完成，然后以原材料產(chǎn)品形式出售給芯片制造廠。硅片典型直徑尺寸有4英寸(100mm)、6英寸(150mm)、8英寸(200mm)和12英寸(300mm)。

3.單晶硅棒拉制：多晶硅到單晶硅的“單晶生長(zhǎng)功”。根據(jù)晶核排列是否同向，硅材料可分為單晶硅和多晶硅，半導(dǎo)體行業(yè)使用單晶硅，而且純度要求為99.999999999%以上(業(yè)內(nèi)簡(jiǎn)稱(chēng) 11N)。單晶硅棒拉制就是在多晶硅溶液中放入籽晶棒，在熔體溫度、提拉速度、籽晶/石英坩堝的旋轉(zhuǎn)速度等合適的條件下，隨著籽晶棒邊轉(zhuǎn)動(dòng)邊緩緩地拉升，溶液中的晶核沿籽晶同向生長(zhǎng)，一個(gè)以籽晶棒為中心的單晶硅棒就拉制出了。硅棒直徑與條件控制和提拉速度有關(guān)。

4.硅棒切片：硬碰硬地切片，要有切得很薄的“刀功”。這道工序是把硅棒切割成硅片。由于硅棒直徑和應(yīng)用不同，硅棒切片的厚度也有差別。半導(dǎo)體用的硅片的切片厚度在450μm～750μm范圍，太薄易脆裂不適合芯片制造。但太陽(yáng)能用的硅片卻是越薄越好，切片厚度僅為200μm左右(約2根頭發(fā)絲的厚度)，切割縫隙在120μm左右。由于硅棒非常堅(jiān)硬，又要切的很薄，很考驗(yàn)設(shè)備的“刀功”。常見(jiàn)的硅棒切片方法為金剛線切割法和砂線切割法。

5.硅片研磨：一絲不茍的“磨平功”。成語(yǔ)中的“絲”如果是指頭發(fā)絲的話(huà)，我這句話(huà)還應(yīng)改為“萬(wàn)分之一絲不茍的‘磨平功’”。因?yàn)?，半?dǎo)體用的大硅片表面局部平整度(SFQD)要求小于設(shè)計(jì)線寬的2/3，如果大硅片用來(lái)制造14nm工藝的芯片，SFQD要求控制在10nm以?xún)?nèi)，即頭發(fā)絲的萬(wàn)分之一。若選用7nm工藝，SFQD應(yīng)小于5nm，硅片平整度要求更高。這道工序?qū)ρ心┖脱心C(jī)都提出了很高的技術(shù)要求。

6.硅片氧化：讓半導(dǎo)體不導(dǎo)電的“絕緣功”。半導(dǎo)體硅片可以經(jīng)過(guò)加工變成導(dǎo)體，也可以經(jīng)過(guò)加工變成絕緣體。這道工序是在硅片上生成一層很薄的氧化膜，使硅片表面成為絕緣體，為其后在硅片上制作電路元件做準(zhǔn)備。氧化膜的成份是SiO2,具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和電絕緣性，可用于晶體管柵極氧化膜、電絕緣層、電容器介質(zhì)和屏蔽層等。硅片氧化工序還將在電路制造流程中多次應(yīng)用，如果先做光刻再做氧化，將會(huì)在指定區(qū)域生成氧化膜，形成局部的絕緣保護(hù)。

（三）電路制造流程

準(zhǔn)備好了硅片和光刻掩膜版，芯片制造就進(jìn)入到了硅片表面電路制造的流程。該流程中包括了光刻膠涂布、硅片表面上圖形形成、刻蝕、氧化、擴(kuò)散、CVD、粒子注入和平坦化等工序。電路制造流程是一個(gè)循環(huán)流程，芯片成套的光刻掩膜版有多少層，這個(gè)流程就要循環(huán)多少次。每層光刻掩膜版表達(dá)的圖形內(nèi)容不同，流程中的個(gè)別工序也有可能被跳過(guò)。

7.光刻膠涂布：在硅片上涂布光刻膠要有很好的“均勻功”。一般旋轉(zhuǎn)涂布光刻膠的厚度與***曝光的光源波長(zhǎng)有關(guān)(不同級(jí)別的曝光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)不同的光刻膠種類(lèi)和分辨率)。厚度一般在200nm～500nm的范圍。光刻膠是芯片制造的重要原材料，2019年7月日本為了抗議韓國(guó)法院對(duì)“韓國(guó)勞工”裁決，就用了光刻膠等原材料卡韓國(guó)的“脖子”，使韓國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)一度困難。

示意圖5是一小塊硅片上的硅片基底、氧化膜和感光膠的三層結(jié)構(gòu)示意圖。

8.硅片表面圖形形成：像傳統(tǒng)照片洗印一樣的“精準(zhǔn)曝光功和洗印功”。這道工序用來(lái)把光刻掩膜版上的圖形投影到已涂布好的光刻膠上，進(jìn)行精準(zhǔn)曝光。這項(xiàng)工作由大名鼎鼎的***來(lái)完成。在曝光之后，接下來(lái)要除去感光了的光刻膠，留下了未感光的光刻膠(假定使用了正性感光膠)。光刻掩膜版上的電路圖形就精確地以光刻膠圖形“做”在硅片的氧化膜上了。

示意圖6是光刻工藝中的曝光(上圖)和除膠(下圖)工序示意圖，等同于傳統(tǒng)照相過(guò)程中的曝光和洗印。感光膠有正負(fù)之分，感光的正性感光膠在顯影除膠工序中被除去，保留了未被感光的部分。負(fù)性感光膠相反，未被感光的部分被除去，保留了被感光的部分。

9.刻蝕：對(duì)光刻膠圖形下的氧化膜進(jìn)行“精準(zhǔn)雕刻”。這道工序用來(lái)把光刻膠覆蓋的氧化膜保留，其它部分去掉。然后再把其余的光刻膠去除。這時(shí)，光刻掩膜版上的電路圖形就精確地以氧化膜形式“做”在了硅片上。這項(xiàng)工作由刻蝕機(jī)來(lái)完成。工序7、8、9組成了芯片制造流程中最重要的光刻工藝(也稱(chēng)為平面加工工藝)。

示意圖7是把晶體管的第一張光刻掩膜版(示意圖4)上的電路圖形制作在氧化膜上的示意。同理，電路圖形也可以制作在柵極多晶硅膜、絕緣鈍化膜、蒸鋁連線層上等。

10.氧化、擴(kuò)散、CVD和粒子注入：這是在硅片上“分區(qū)精加工的硬功”。使用上述工序7、8、9的光刻工藝后，就可以在芯片的上指定區(qū)域進(jìn)行多種精加工。氧化是在指定區(qū)域生成氧化膜；擴(kuò)散是對(duì)指定區(qū)域定量摻入其它元素原子，改變?cè)搮^(qū)域的電性能；CVD是在指定區(qū)域沉積一層氧化硅、碳化硅、多晶硅等半導(dǎo)體材料層；離子注入是向指定區(qū)域定量注入雜質(zhì)的原子或粒子，使該區(qū)域的電性能發(fā)生變化。

示意圖8是制作晶體管的P型襯底(示意圖2綠色區(qū))的示意圖。前道的光刻工藝在氧化膜上開(kāi)了一個(gè)離子注入窗口，在這道精加工的工序中進(jìn)行離子注入，使窗口下的硅片變?yōu)镻型襯底。

11.平坦化：電路圖形表面“精確磨平功”。在硅片上做了幾層電路圖形的“光刻”和“加工”循環(huán)(工序7、8、9、10)以后，有些地方刻蝕下去，有些地方生長(zhǎng)上來(lái)，電路圖形表面已變得凹凸不平。為了進(jìn)行下一層的“光刻”和“加工”循環(huán)流程，首先要對(duì)電路圖形表面進(jìn)行平坦化。平坦化打磨要十分精確，打磨太深會(huì)損壞已做好的電路圖形，打磨太淺電路圖形表面依然不夠平整。平坦化工序完成后，跳回到工序7的光刻膠涂布，按照下一張光刻掩版開(kāi)始下一循環(huán)的“光刻”和“精加工”過(guò)程。

示意圖9是高倍電子顯微鏡下看到的凹凸不平下層電路圖形。

（四）收尾流程

收尾流程中包括了電極形成和硅片檢查兩道工序，這是芯片制造最后的收尾工序，之后就可以進(jìn)行芯片封裝了。

12.電極形成：金屬材料蒸發(fā)和淀積的“金屬化功”。在電路制造循環(huán)完成之后，還要完成一層晶體管等電路元件表層的鋁金屬連線，并要把芯片引出電信號(hào)的連接電極做好。把鋁、銅等金屬蒸發(fā)成氣體，傳送到芯片表面，并淀積生成一層金屬薄膜叫做金屬化工藝，金屬化是一項(xiàng)難度很大的技術(shù)功夫。

13.硅片檢查：從批量芯片中找出不良芯片的“火眼金睛功”。在芯片封裝之前，要對(duì)硅片上成百上千的芯片進(jìn)行檢查，標(biāo)記出不良的芯片，以便在后續(xù)的芯片封裝時(shí)棄之不用。

二、芯片封裝流程概述

芯片封裝流程包括了硅片切割、芯片置放、引線鍵合、塑封模壓、切筋成型、劣化試驗(yàn)、產(chǎn)品檢驗(yàn)、激光打標(biāo)八個(gè)工序，如下圖所示。該封裝流程封裝的芯片都是四邊引線的塑料封裝(包括DIP、SOP、QFP、PQFP、LCC、PLCC等)，這是傳統(tǒng)的二維(2D)封裝形式，本文對(duì)其中的每道工序不做詳細(xì)介紹。

（注：此漫畫(huà)來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)文章，并經(jīng)過(guò)了筆者加工整理。）

示意圖10是目前芯片封裝形式的全景圖。分割線左側(cè)是傳統(tǒng)的2D塑料封裝形式，右側(cè)是更先進(jìn)的新型封裝形式，包括：以陣列引腳封裝(PGA)、球柵陣列封裝(BGA)、觸點(diǎn)陣列封裝(LGA)等為代表的球陣封裝；晶圓級(jí)封裝(WLP)；系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP)；堆疊封裝(PoP)；多芯片組封裝(MCP)和芯片級(jí)封裝(CSP)等。其中除了球陣封裝外，其它都屬于系統(tǒng)級(jí)或者三維(3D)先進(jìn)封裝。而且隨著技術(shù)進(jìn)步，新型封裝技術(shù)將不斷推陳出新，以滿(mǎn)足各種新的應(yīng)用需求。

（注：此圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)：今日半導(dǎo)體，并經(jīng)過(guò)了筆者加工整理。）

結(jié)語(yǔ)：芯片設(shè)計(jì)和硅片生產(chǎn)是芯片制造的前期準(zhǔn)備,電路制造有三個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容要了解，一是硅片上的電路是按光刻掩膜版的順序，一層層用光刻平面工藝循環(huán)加工而成，芯片上的電路元件是立體的。二是光刻工藝有4個(gè)步驟：涂膠、曝光、除膠、刻蝕，光刻是芯片技術(shù)的核心。三是每一循環(huán)加工都是由光刻和加工兩個(gè)階段組成，光刻指定了后續(xù)加工的范圍、區(qū)域和窗口，后續(xù)加工是對(duì)硅片上材料真正的處理過(guò)程，包括氧化、擴(kuò)散、CVD、離子注入、鈍化等處理。

在芯片制造過(guò)程中，芯片設(shè)計(jì)階段用到了電路元件擺放、連線和功能模擬的“設(shè)計(jì)功”、把芯片布圖拆分成光刻掩膜版的“分層功”；硅片生產(chǎn)階段用到了“單晶生長(zhǎng)功”、“硅棒切片功”、“硅片磨平功”和“半導(dǎo)體絕緣功”；在電路制造階段用到了光刻的“精準(zhǔn)定位功”和“精細(xì)加工功”；在芯片封裝階段也有各種各樣的真功夫。芯片制造中的真功夫是芯片高技術(shù)含量的具體體現(xiàn)。用漫畫(huà)把這些真功夫都一一表達(dá)出來(lái)，其實(shí)是一件很難的事情。在此，筆者向文中所引用漫畫(huà)原創(chuàng)作者致敬。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：【芯論語(yǔ)】漫畫(huà)在芯片上“集成”上百億只“電路”元件的“十八般武功”

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