來源：Me工程師
在上一篇文章中，我們探尋了芯片的本質及發展歷程，知道了僅僅有半導體元器件還不夠，必須得是集成電路才能滿足生產實踐的需求。羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）說起他發明集成電路技術的初衷，就是覺得手工把晶體管這種元器件一個個的焊到一起實在太麻煩了。要知道，當時他焊的電路也就幾百個元件?，F在的電路動不動可就是幾億、幾十億個器件，除了集成電路的形式，還真就沒別的好辦法。有了集成電路之后，我們就可以把電子設備做得非常小，還能通過技術升級不斷做得更小。如今，電路開關的尺寸已經是納米級別了，也就是說，在一塊一厘米見方的芯片里集成了100多億個晶體管，其復雜程度遠遠超出我們的想象。下面這個視頻采用動畫效果展示了某公司22納米芯片的制造工藝。（22納米芯片制造工藝）一粒沙子是如何變為芯片的？視頻中的操作僅是 “點石成金”的部分環節，真實的工藝流程往往更加復雜。為了便于理解和記憶，我們可以將生產芯片的整個過程概括為3個階段——設計、加工和封測。
想蓋一座大樓，首先得有設計圖紙。不但要規劃好整體布局、外部造型、內部布置和結構荷載等，還得考慮每個細微處的建筑細節。反復論證，沒有問題了，才能交由工程隊進行施工建設。同樣，生產一款芯片也要先進行設計，明確芯片的用途、規格和性能表現，經過規格定義、系統級設計、前端設計和后端設計4步才能輸出版圖（如圖1所示），再交給制造工廠按照圖紙批量生產。
在上個世紀70年代初，芯片也就2000多個晶體管，版圖都是工程師用彩色鉛筆一根根線畫出來的，沒有使用計算機進行輔助設計?？山裉斓男酒瑒硬粍泳陀袔资畠|的晶體管，加上錯綜復雜的連接線路，根本不是手工能夠完成的。每一個步驟都要用專門的軟件進行處理，這個軟件就是EDA（Electronic design automation，電子設計自動化）。EDA不僅可以簡化繪圖流程、自動布局布線和綜合優化，還能通過仿真計算來檢驗設計的正確性。此外，EDA軟件會提供一些研發門檻較高的功能模塊，進一步提升工作效率。正因如此，有人將EDA稱為“半導體產業皇冠上的明珠”、“芯片之母”。
使用EDA設計完版圖后，就可以對照版圖制作光罩（也稱光掩模版、掩膜版）。在圖1最右側，可以看到版圖中有藍、紅、綠、黃等不同顏色，每種顏色就對應著一張光罩。光罩制作成功則表明設計階段結束，可以進行芯片加工了。圖2展示的是前面視頻中的一段工藝——如何用沙子制備晶圓裸片。看似不起眼的沙子富含二氧化硅，二氧化硅通過高溫加熱、純化、過濾等工藝，可從中提取出單晶硅。然后，經特殊工藝鑄造為純度極高（99.9999％）的單晶硅錠，再根據用途將其切割成0.5mm~1.5mm厚度的薄片并拋光，即成為加工芯片的基本材料——硅晶圓片，簡稱“晶圓”（Wafer）。目前，主流的晶圓直徑為12英寸（約300毫米）。尺寸越大，制造難度越高，上面最終能夠加工出來的芯片也就越多。由于此時的晶圓上還沒有集成電路，為了與后面的成品進行區分，一般稱作“晶圓裸片”或“硅片”。
接下來要對晶圓裸片進行光刻，也就是把光罩上的版圖信息“刻”到晶圓裸片上，形成電路。如圖3所示，光刻的基本原理類似于給貨車車身噴涂號碼（或在路面噴涂交通標志圖案）。人們使用一個鏤空的號碼牌作為模板，對著這個模板噴涂料。透過挖空的字母或數字部分，涂料會噴到車身上；而模板上沒挖空的部分，自然就擋住了涂料。最終的效果就是，車牌號碼被清晰地印到貨車身上了。
這個挖空的號碼牌就對應著設計階段的成果——光罩，噴涂料的過程對應了刻蝕、摻雜、金屬沉積等復雜的加工步驟。這些步驟交替進行，重復若干次，要在晶圓裸片上構建出幾十層結構，如同在夯實的地基上蓋一座摩天大樓一樣。目前最先進的加工工藝，一共要用到80多張光罩，將近4000個步驟，每一步都要求非常高的準確度和穩定性，才能保證芯片的最終質量和產量。
介紹光刻工藝就不得不提到其核心設備——光刻機。由于制造和維護都需要非常高的技術儲備，光刻機被稱為世界上最精密的儀器。目前掌握光刻機制造技術的廠商只有寥寥幾家，其中的王者就是荷蘭的ASML，中文名為阿斯麥。其最高端的EUV（Extreme Ultra-violet，極紫外）光刻機每年產量只有2到3臺，售價高達上億美金。經過上述加工環節之后，一片晶圓上已經有幾百顆芯片了，如圖4所示。由于工藝步驟太多，精細程度要求太高，不可避免地存在一些瑕疵，這就需要進行晶圓測試。圖5最左邊展示的就是檢測設備通過探針接觸晶圓上的管腳，輸入信號檢測電路性能，進而將不合格的晶粒（芯片）標識出來。
接下來就是晶圓切片，即把整個晶圓切割成一塊塊的單個芯片。當然，在此過程中會丟棄那些標識有瑕疵的以及外觀破損的個體。挑選出來的單芯片會被固定到相應的封裝基板上，用超細金屬絲連接單芯片上的接合焊盤和基板上的引腳，再注入塑封材料進行保護，就完成了芯片的封裝。封裝完畢，還要再進行一系列全面且復雜的測試，鑒別出每一塊芯片的關鍵特性，比如穩定工作頻率、功耗、發熱情況等等，進而劃分出不同的等級類型。之后，芯片成品就可以裝箱發售，走進千家萬戶了。
最后，我們再以蘋果手機的處理器為例，鳥瞰一下芯片的整個產業鏈：首先，在美國的加州完成設計；接著，在中國臺灣的臺積電進行加工；然后，運往馬來西亞封裝測試；芯片成品又被送到中國大陸的富士康工廠，和其它部件（顯示屏、攝像頭、電池等）組裝到一起；最后，由中國深圳的物流公司發往世界各地。還要考慮到：芯片設計的底層架構是日本ARM公司的知識產權；臺積電最為關鍵的生產設備——光刻機，要從荷蘭的ASML采購；刻蝕機來自中國的中微半導體和美國的泛林；光刻膠和大量的化學試劑主要由日本和韓國的公司生產。這樣看來，芯片產業算是全球化最為徹底的產業了。那么問題來了，既然這個產業已經如此全球化了，為什么美國還能卡我們的脖子呢？咱們下一篇文章再進行討論。原文鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg5MzM1NjY2Mg==&mid=2247484387&idx=1&sn=83be8ebf7578c4b79f27db74e928b328&chksm=c0315cfaf746d5ec22662132fecf7947a91774f65b181ea140bcfdb41680dd4c179aee42dfc4&scene=21#wechat_redirect