智能手機、個人電腦、游戲機這類現代數碼產品的強大性能已無需贅言，而這些強大的性能大多源自于那些非常小卻又足夠復雜的科技產物---芯片。世界已被芯片所包圍：2020年，全世界共生產了超過一萬億芯片，這相當于地球上每人擁有并使用130顆芯片。然而即使如此，近期的芯片短缺依然表現出，這個數字還未達到上限。

蘋果A15仿生芯片等尖端芯片正使得更多革新技術成為可能。這些芯片是如何被制造出來的，其中又有哪些關鍵步驟呢？今天我們介紹芯片制造六個最為關鍵的步驟：沉積、光刻膠涂覆、光刻、刻蝕、離子注入和封裝。

芯片制造六個關鍵步驟

1、沉積

沉積步驟從晶圓開始，晶圓是從99.99%的純硅圓柱體（也叫“硅錠”）上切下來的，并被打磨得極為光滑，然后再根據結構需求將導體、絕緣體或半導體材料薄膜沉積到晶圓上，以便能在上面印制第一層。這一重要步驟通常被稱為 "沉積"。

隨著芯片變得越來越小，在晶圓上印制圖案變得更加復雜。沉積、刻蝕和光刻技術的進步是讓芯片不斷變小，從而推動摩爾定律不斷延續的關鍵。這包括使用新的材料讓沉積過程變得更為精準的創新技術。

2、光刻膠涂覆

晶圓隨后會被涂覆光敏材料“光刻膠”（也叫“光阻”）。光刻膠也分為兩種——“正性光刻膠”和“負性光刻膠”。

正性和負性光刻膠的主要區別在于材料的化學結構和光刻膠對光的反應方式。對于正性光刻膠，暴露在紫外線下的區域會改變結構，變得更容易溶解從而為刻蝕和沉積做好準備。負性光刻膠則正好相反，受光照射的區域會聚合，這會使其變得更難溶解。正性光刻膠在半導體制造中使用得最多，因其可以達到更高的分辨率，從而讓它成為光刻階段更好的選擇。現在世界上有不少公司生產用于半導體制造的光刻膠。

3、光刻

光刻在芯片制造過程中至關重要，因為它決定了芯片上的晶體管可以做到多小。在這個階段，晶圓會被放入光刻機中，被暴露在深紫外光（DUV）下。很多時候他們的精細程度比沙粒還要小幾千倍。

光線會通過“掩模版”投射到晶圓上，光刻機的光學系統（DUV系統的透鏡）將掩模版上設計好的電路圖案縮小并聚焦到晶圓上的光刻膠。如之前介紹的那樣，當光線照射到光刻膠上時，會產生化學變化，將掩模版上的圖案印制到光刻膠涂層上。

使曝光的圖案完全正確是一項棘手的任務，粒子干擾、折射和其他物理或化學缺陷都有可能在這一過程中發生。這就是為什么有時候我們需要通過特地修正掩模版上的圖案來優化最終的曝光圖案，讓印制出來的圖案成為我們所需要的樣子。我們的系統通過“計算光刻”將算法模型與光刻機、測試晶圓的數據相結合，從而生成一個和最終曝光圖案完全不同的掩模版設計，但這正是我們想要達到的，因為只有這樣才能得到所需要的曝光圖案。

4、刻蝕

下一步是去除退化的光刻膠，以顯示出預期的圖案。在"刻蝕"過程中，晶圓被烘烤和顯影，一些光刻膠被洗掉，從而顯示出一個開放通道的3D圖案。刻蝕工藝必須在不影響芯片結構的整體完整性和穩定性的情況下，精準且一致地形成導電特征。先進的刻蝕技術使芯片制造商能夠使用雙倍、四倍和基于間隔的圖案來創造出現代芯片設計的微小尺寸。

和光刻膠一樣，刻蝕也分為“干式”和“濕式”兩種。干式刻蝕使用氣體來確定晶圓上的暴露圖案。濕式刻蝕通過化學方法來清洗晶圓。

一個芯片有幾十層，因此必須仔細控制刻蝕，以免損壞多層芯片結構的底層。如果蝕刻的目的是在結構中創建一個空腔，那就需要確保空腔的深度完全正確。一些高達175層的芯片設計，如3D NAND，刻蝕步驟就顯得格外重要和困難。

5、離子注入

一旦圖案被刻蝕在晶圓上，晶圓會受到正離子或負離子的轟擊，以調整部分圖案的導電特性。作為晶圓的材料，原料硅不是完美的絕緣體，也不是完美的導體。硅的導電性能介于兩者之間。

將帶電離子引導到硅晶體中，讓電的流動可以被控制，從而創造出芯片基本構件的電子開關——晶體管，這就是 "離子化"，也被稱為 "離子注入"。在該層被離子化后，剩余的用于保護不被刻蝕區域的光刻膠將被移除。

6、封裝

在一塊晶圓上制造出芯片需要經過上千道工序，從設計到生產需要三個多月的時間。為了把芯片從晶圓上取出來，要用金剛石鋸將其切成單個芯片。這些被稱為“裸晶”的芯片是從12英寸的晶圓上分割出來的，12英寸晶圓是半導體制造中最常用的尺寸，由于芯片的尺寸各不相同，有的晶圓可以包含數千個芯片，而有的只包含幾十個。

這些裸晶隨后會被放置在“基板”上——這種基板使用金屬箔將裸晶的輸入和輸出信號引導到系統的其他部分。然后我們會為它蓋上具有“均熱片”的蓋子，均熱片是一種小的扁平狀金屬保護容器，里面裝有冷卻液，確保芯片可以在運行中保持冷卻。

當然，半導體制造流程涉及到的步驟遠不止這些，芯片還要經過量測檢驗、電鍍、測試等更多環節，每塊芯片在成為電子設備的一部分之前都要經過數百次這樣的過程。

半導體芯片制造流程

從沙礫到芯片，“點石成芯”的芯片制造主要經歷硅片制造、晶圓制造、芯片封裝和芯片測試幾大流程，半導體清洗則貫穿了芯片制造的全產業鏈，也是重復次數最多的工序，這些工序包括三類：

1、在硅片制造過程：清洗拋光后的硅片，保證表面平整度和性能，提高后續工藝的良品率；

2、在晶圓制造過程：在光刻、刻蝕、沉積、離子注入、去膠等關鍵工序前后清洗，減小缺陷率；

3、在芯片封裝過程：根據封裝工藝進行TSV清洗、UBM/RDL清洗、鍵合清洗等。

芯片制造流程  圖源丨東吳證券

一切才剛剛開始

現在，芯片已經成為你的智能手機、電視、平板電腦以及其他電子產品的一部分了。它可能只有拇指大小，但一個芯片可以包含數十億個晶體管。例如，蘋果的A15仿生芯片包含了150億個晶體管，每秒可執行15.8萬億次操作。